Fizycy podważają klasyczny model ciemnej materii

Badanie opublikowane w Physical Review Letters podważa jedno z najbardziej utrwalonych założeń współczesnej kosmologii, że ciemna materia musiała być „zimna” w chwili powstania 

Ciemna materia to hipotetyczna forma materii, której nie da się obserwować bezpośrednio, ponieważ nie emituje ani nie pochłania światła. Jej istnienie wnioskujemy pośrednio, obserwując efekty grawitacyjne, takie jak ruch galaktyk czy zjawisko soczewkowania grawitacyjnego. Zgodnie z obowiązującymi modelami kosmologicznymi odpowiada ona za około 85 proc. całej materii we Wszechświecie i odgrywa kluczową rolę w procesie formowania struktur kosmicznych.

Nie wiemy jednak, czym dokładnie jest. Jednym z nielicznych punktów, w którym zgadza się większość fizyków jest to, że ciemna materia musi być „zimna”. W tym kontekście nie chodzi o temperaturę w potocznym sensie, lecz o prędkość cząstek. Zimna ciemna materia składa się z cząstek poruszających się wolno w porównaniu z prędkością światła, co pozwala im skutecznie skupiać materię i tworzyć zalążki galaktyk. Gdyby cząstki te były zbyt szybkie, drobne struktury zostałyby wygładzone, zanim zdążyłyby się rozwinąć.

Zespół badaczy z University of Minnesota Twin Cities oraz Université Paris-Saclay pokazuje jednak, że to założenie jest zbyt uproszczone. W pracy opublikowanej w Physical Review Letters autorzy wskazują, że kluczowe znaczenie ma nie tyle prędkość cząstek w momencie ich powstania, ile moment, w którym przestają one intensywnie oddziaływać z resztą materii i promieniowania.

Analiza dotyczy bardzo wczesnego etapu historii kosmosu, tuż po inflacji, czyli fazie gwałtownego, wykładniczego rozszerzania się Wszechświata. Po jej zakończeniu nastąpił tzw. reheating, okres ponownego nagrzewania, w którym energia napędzająca inflację została przekształcona w cząstki materii i promieniowanie. Jeśli ciemna materia powstawała właśnie wtedy, mogła „rozsprzęgnąć się” od kosmicznej plazmy w stanie ultrarelatywistycznym, a więc poruszając się z prędkościami bliskimi prędkości światła.

Moment rozsprzęgnięcia okazuje się kluczowy. Oznacza on chwilę, w której cząstki przestają zderzać się z innymi składnikami Wszechświata, a ich dalsza ewolucja zależy głównie od ekspansji kosmosu. W takim scenariuszu nawet bardzo szybkie cząstki mają wystarczająco dużo czasu, by wraz z rozszerzaniem się Wszechświata stopniowo tracić energię i – jeszcze przed epoką formowania galaktyk – zacząć zachowywać się jak klasyczna zimna ciemna materia.

„Najprostszy kandydat na ciemną materię, czyli neutrino o małej masie, został wykluczony ponad 40 lat temu, ponieważ zamiast zapoczątkowywać struktury galaktyczne, prowadziłby do ich zaniku” – mówi Keith Olive z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Minnesoty. „Zaskakujące jest to, że bardzo podobny typ cząstki, jeśli powstał na samym początku gorącego Wielkiego Wybuchu, mógłby mieć wystarczająco dużo czasu, by ochłodzić się i w praktyce zachowywać się jak zimna ciemna materia”.

Stephen Henrich, główny autor pracy, podkreśla, że przez dekady zakładano, że warunek „zimna” musi być spełniony już w chwili narodzin ciemnej materii. „Nasze obliczenia pokazują, że nie jest to konieczne. Ciemna materia może narodzić się gorąca, a mimo to odegrać tę samą rolę w procesie formowania galaktyk”.

„Te wyniki otwierają możliwość badania etapu historii Wszechświata niezwykle bliskiego samemu Wielkiemu Wybuchowi” — dodaje współautor pracy, prof.  Yann Mambrini z Université Paris-Saclay. To właśnie tam, w pierwszych chwilach istnienia kosmosu, mogły zostać ustalone warunki, które do dziś determinują jego wielkoskalową strukturę.

Źródła:
Henrich S., Olive K., Mambrini Y., Ultrarelativistic Freeze-Out: A Bridge from WIMPs to FIMPs, Physical Review Letters (2025), DOI: 10.1103/zk9k-nbpj
Komunikat prasowy University of Minnesota, EurekAlert! (13.01.2026)

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi
• popularyzacja