Najnowsza praca nie obala tego zdania wprost, ale podcina mu fundamenty w sprytny sposób: sugeruje, że ciemna materia nie musi rodzić się zimna. Może startować jako ultrarelativistyczna, czyli rozpędzona niemal do prędkości światła, a dopiero później wyhamować na tyle, by w kluczowym momencie zachowywać się już jak klasyczna zimna ciemna materia.
Zimna i gorąca w kosmologii nie znaczą tego, co w kuchni
W potocznym języku łatwo wpaść w pułapkę: gorąca ciemna materia brzmi jak coś o temperaturze. Tymczasem w kosmologii to skrót myślowy o prędkości cząstek. Zimna oznacza wolną w skali kosmicznej (łatwo tworzącą gęste skupiska), a gorąca – tak szybką, że rozmazuje drobne struktury, zanim zdążą urosnąć w zalążki galaktyk.
To właśnie dlatego klasycznym antyprzykładem stały się lekkie neutrina: kandydat elegancki, realny, znany z fizyki cząstek… i przez to tym bardziej bolesny, gdy obliczenia pokazują, że jako dominująca ciemna materia zbyt skutecznie wygładziłyby młody Wszechświat. Ten argument przez dekady cementował przekonanie, że ciemna materia musi być zimna już w momencie odłączenia się od gorącej plazmy wczesnego kosmosu.
Kluczowy detal w tej nowej historii polega na tym, że nikt tu nie próbuje przywrócić starej, prostej wersji neutrina jako ciemna materia. Zamiast tego chodzi o mechanizm, który na chwilę pozwala ciemnej materii być gorącą, ale tak, by nie zniszczyła późniejszego budowania struktur.
Moment, w którym nie wolno, nagle staje się „można”
Nowy scenariusz opiera się na etapie, który zwykle w popularnych opowieściach pojawia się tylko w tle: na dogrzewaniu (reheating) po inflacji. To czas, gdy Wszechświat po gwałtownej fazie inflacji wypełnia się cząstkami i promieniowaniem, zanim wejdzie w klasyczną erę zdominowaną przez promieniowanie. Właśnie w tej fazie ciemna materia może powstawać i odsprzęgać się od reszty – nawet gdy jest jeszcze ultrarelativistyczna.
Brzmi jak herezja, dopóki nie pojawi się najważniejsze zdanie: jeśli dogrzewanie nie jest chwilą, tylko trwa pewien czas, ekspansja Wszechświata może wykonać ogromną pracę chłodzącą. Autorzy pokazują, że ciemna materia, która w chwili odsprzęgnięcia była gorąca, może do epoki formowania struktur zdążyć wyhamować na tyle, by zachowywać się zgodnie z tym, co dziś nazywamy zimną ciemną materią.
W ich ujęciu to powrót do mechanizmu analogicznego do tego, co robią neutrina (ultrarelativistic freeze-out), ale w wersji, która dzięki realnej, nie-natychmiastowej historii dogrzewania nie musi kończyć się zakazem kosmologicznym. Innymi słowy: problemem nie jest sama gorąca natura na starcie, tylko to, czy cząstka pozostaje gorąca wtedy, gdy Wszechświat zaczyna rzeźbić galaktyki.
Nowe miejsce na mapie między WIMP a FIMP
Ten pomysł ma też przyjemny skutek uboczny: porządkuje bałagan w świecie kandydatów na ciemną materię. Przez lata dominowały dwa skrajne archetypy: WIMP (silniej oddziałujący, klasyczny termiczny freeze-out, ale jak dotąd bez wykrycia) i FIMP (bardzo słabo sprzężony, produkowany przez freeze-in). Tutaj pojawia się tryb pośredni: ultra-relativistic freeze-out podczas dogrzewania, który działa jak most między WIMP i FIMP – w pewnych klasach oddziaływań wręcz nie da się przejść z WIMP do FIMP bez przejścia przez środek.
W praktyce oznacza to szerszy katalog mas i parametrów, w których ciemna materia mogłaby powstać, a jednocześnie nadal pasować do obserwacji dużej skali. W samym opisie pracy pojawia się też wniosek, że ten środek bywa atrakcyjny z punktu widzenia wykrywalności, bo nie wymaga ani ekstremalnie silnych, ani ekstremalnie słabych sprzężeń – to okno, które dotąd często omijało się z przyzwyczajenia, a nie z konieczności.
I tu robi się najciekawiej: ta propozycja nie daje nowej cząstki w stylu oto ciemna materia, podpiszcie protokół, tylko zmienia regułę gry o tym, jak wczesny Wszechświat mógł produkować kandydatów. To przesunięcie ciężaru z pytania jaka cząstka na pytanie w jakiej historii termicznej Wszechświata ta cząstka powstaje.
Gdy jedno zdanie przestaje być dogmatem
Kosmologia znowu robi ten swój ulubiony numer: bierze coś uznanego za pewnik, po czym pokazuje, że to pewnik zależny od założeń, które wcale nie muszą być najprostsze. Ciemna materia ma być zimna – tak. Ale jeśli zimna opisuje jej zachowanie w momencie formowania struktur, to nagle robi się miejsce na bardziej dzikie dzieciństwo tej cząstki.
To też subtelne ostrzeżenie przed wiarą w zbyt wygładzone schematy wczesnego kosmosu. Dogrzewanie po inflacji brzmi jak techniczny przypis, a okazuje się sceną, na której można przestawić całe pole możliwości. I to bez łamania obserwacyjnych twardych ścian – raczej przez zmianę tego, kiedy i jak szybko cząstki tracą energię w ekspandującym Wszechświecie.
A co dalej? Taki wynik zwykle kończy się jednym: pojawi się fala prac, które spróbują przełożyć ten mechanizm na konkretne sygnały – albo w astrofizyce (drobna struktura, wczesne galaktyki), albo w eksperymentach cząstek (bo środek między WIMP i FIMP kusi tym, że może być bliżej zasięgu). I w sumie to jest najlepszy rodzaj postępu: mniej pewników, więcej testowalnych drzwi.