Nowatorski model sugeruje ultrarelatywistyczne wyodrębnienie ciemnej materii we wczesnym wszechświecie

W styczniu 2026 roku na łamach prestiżowego czasopisma Physical Review Letters ukazała się praca naukowa, która rzuca nowe światło na ewolucję wczesnego kosmosu. Badacze z Uniwersytetu Minnesoty w Twin Cities oraz Uniwersytetu Paris-Saclay zaprezentowali model, według którego ciemna materia mogła oddzielić się od reszty materii we wczesnym wszechświecie w stanie ultrarelatywistycznym, czyli niezwykle gorącym. Mimo tak wysokiej energii początkowej, substancja ta miała wystarczająco dużo czasu, aby ostygnąć do temperatury niezbędnej do uformowania się tzw. zimnej ciemnej materii, stanowiącej fundament obecnych struktur kosmicznych.

Publikacja ta podaje w wątpliwość ugruntowany w nauce postulat, jakoby ciemna materia musiała być zimna już w momencie swojego „zamrożenia” w epoce poinflacyjnego podgrzewania wszechświata. Historycznie rzecz biorąc, wymóg istnienia zimnej ciemnej materii wynikał z faktu, że jej gorąca odmiana – podobna do neutrin o małej masie – prowadziłaby do zahamowania powstawania wielkoskalowych struktur wszechświata. Profesor Keith Olive z Uniwersytetu Minnesoty wielokrotnie zwracał uwagę na to ograniczenie, wskazując na ryzyko stłumienia ewolucji strukturalnej kosmosu w modelach zakładających wysoką temperaturę cząstek.

Główny autor opracowania, Steven Henrich, doktorant w Szkole Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Minnesoty, sprecyzował kluczowy aspekt odkrycia. Choć ciemna materia musi pozostawać zimna w fazie formowania się struktur grawitacyjnych, nowa praca obala konieczność jej pierwotnej zimnej fazy w momencie separacji w pierwotnym wszechświecie. Zespół poddał szczegółowej analizie mechanizmy produkcji ciemnej materii w okresie wysokich energii następującym po inflacji. Wykazano, że ultrarelatywistyczne rozdzielenie zapewnia odpowiedni przedział czasowy na schłodzenie się cząstek przed rozpoczęciem tworzenia struktur kosmicznych, co jest w pełni zgodne z aktualnymi ograniczeniami obserwacyjnymi.

Współautor badań, profesor Yann Mambrini z Uniwersytetu Paris-Saclay, podkreślił, że ich praca otwiera nowe możliwości badania historii wszechświata w okresie bardzo bliskim Wielkiemu Wybuchowi. Dzięki powiązaniu właściwości ciemnej materii z fizyką procesu podgrzewania, naukowcy wysunęli nowe wnioski teoretyczne. Sugerują one, że ciemna materia o masie przekraczającej kilka tysięcy elektronowoltów zdąży ostygnąć do poziomu około jednego elektronowolta przed epoką wzrostu struktur kosmicznych. Wynik ten koresponduje z rygorystycznymi danymi uzyskanymi z przeglądów galaktyk oraz pomiarów kosmicznego promieniowania tła, co znacząco rozszerza przestrzeń parametrów dla modeli takich jak WIMP czy FIMP.

To teoretyczne osiągnięcie, wspierane przez program Unii Europejskiej Horyzont 2020 w ramach grantu Marii Skłodowskiej-Curie, wymaga teraz potwierdzenia na drodze empirycznej. Badacze planują przeprowadzenie w przyszłości serii testów z wykorzystaniem akceleratorów cząstek, podziemnych eksperymentów dotyczących rozpraszania oraz sond astrofizycznych, aby zweryfikować hipotezę o ultrarelatywistycznym wyodrębnieniu. Praca ta oferuje znacznie bardziej elastyczne spojrzenie na wczesny wszechświat, w którym chaotyczny okres podgrzewania odgrywa decydującą rolę w kształtowaniu ostatecznych właściwości ciemnej materii, wykraczającą poza dotychczasowe ramy teoretyczne.