Ο δευτερεύων πληθωρισμός-μια νέα θεωρία-διευρύνει τις επιλογές για αποφυγή ενός πλεονάσματος Σκοτεινής Ύλης

Η καθιερωμένη κοσμολογία-που είναι, η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης μαζί με την πρώιμη περίοδο της εκθετικής αύξησης, γνωστής ως πληθωρισμός-είναι το κυρίαρχο επιστημονικό μοντέλο για το σύμπαν μας, κατά το οποίο η ολότητα του χώρου και του χρόνου διογκώθηκε από ένα πολύ θερμό και πολύ πυκνό σημείο, σε μια ομοιογενή και συνεχώς διευρυνόμενη απεραντοσύνη. Αυτή η θεωρία εξηγεί πολλά από τα φυσικά φαινόμενα που παρατηρούμε. Αλλά μήπως δεν είναι έτσι;

Μια νέα θεωρία προτάθηκε από φυσικούς του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven, του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, του Εργαστηρίου του Εθνικού Επιταχυντή Fermi και του Πολιτειακού Πανεπιστημίου Νέας Υόρκης στο Stony Brook, η οποία θα δημοσιευθεί στο διαδίκτυο στις 18 Ιανουαρίου στο Physical Review Letters, υποστηρίζει ότι μια συντομότερη δευτερεύουσα πληθωριστική περίοδος θα μπορούσε να ευθύνεται για την ποσότητα της σκοτεινής ύλης που εκτιμάται ότι υπάρχει σε όλο το σύμπαν.

«Γενικά, μια θεμελιώδης θεωρία της φύσης μπορεί να εξηγήσει ορισμένα φαινόμενα, αλλά δεν μπορεί να είναι πάντα καταλήγει δίνοντάς σας τη σωστή ποσότητα της σκοτεινής ύλης», είπε ο Hooman Davoudiasl, αρχηγός ομάδας στην περιοχή της Υψηλής Ενέργειας στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven και συγγραφέας της μελέτης. «Αν τα καταφέρετε με πολύ λίγη σκοτεινή ύλη, μπορείτε να υπονοήσετε μια άλλη πηγή, αλλά έχοντας τόσο πολλή είναι πρόβλημα».

Η μέτρηση της ποσότητας της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν δεν είναι εύκολη υπόθεση. Εξάλλου είναι σκοτεινή, έτσι δεν αλληλεπιδρά με οποιονδήποτε σημαντικό τρόπο με τη συνηθισμένη ύλη. Παρόλα αυτά, οι βαρυτικές επιδράσεις της σκοτεινής ύλης δίνουν στους επιστήμονες μια καλή ιδέα για το πόση από αυτή υπάρχει εκεί έξω. Οι καλύτερες εκτιμήσεις δείχνουν ότι αποτελεί περίπου το ένα τέταρτο της μάζας-ενέργειας του σύμπαντος, ενώ η συνηθισμένη ύλη, που συγκροτεί τα αστέρια, τον πλανήτη μας και μας, αποτελεί μόνο το 5%. Η σκοτεινή ύλη είναι η κυρίαρχη μορφή του περιεχομένου του σύμπαντος, που οδηγεί τους φυσικούς να σχεδιάζουν θεωρίες και πειράματα για να διερευνήσουν τις ιδιότητές της και να κατανοήσουν πώς προέκυψε.

Μερικές θεωρίες, που εξηγούν κομψά περιπεπλεγμένες παραδοξότητες στη φυσική [για παράδειγμα, την υπερβολική αδυναμία της βαρύτητας σε σύγκριση με τις άλλες θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, όπως η ηλεκτρομαγνητική, η ισχυρή πυρηνική και η ασθενής πυρηνική δυνάμεις] δεν μπορούν να γίνουν πλήρως δεκτές, επειδή προβλέπουν περισσότερη σκοτεινή ύλη από ότι μπορούν να υποστηρίξουν οι εμπειρικές παρατηρήσεις.

Αυτή η νέα θεωρία λύνει αυτό το πρόβλημα. Ο Davoudiasl και οι συνεργάτες του κάνουν ένα βήμα προς τα κοινώς αποδεκτά γεγονότα κατά την έναρξη του χώρου και του χρόνου.

Στην καθιερωμένη κοσμολογία, η εκθετική διαστολή του σύμπαντος που ονομάζεται κοσμικός πληθωρισμός άρχισε ίσως τόσο νωρίς όσο 10^-35 δευτερόλεπτα μετά από την αρχή του χρόνου. Αυτή η εκρηκτική επέκταση του όλου χώρου κράτησε όλο και όλο κλάσματα ενός κλάσματος του δευτερολέπτου, οδηγώντας τελικά σε ένα καυτό σύμπαν, που ακολουθείται από μια περίοδο ψύξης, που συνεχίζεται μέχρι σήμερα. Τότε, όταν το σύμπαν ήταν ηλικίας μόλις δευτερολέπτων έως λεπτών-που είναι, αρκετά ψυχρό-ξεκίνησε ο σχηματισμός των ελαφρύτερων στοιχείων. Μεταξύ αυτών των ορόσημων, μπορεί να υπήρξαν και άλλα πληθωριστικά διαλλείματα, είπε ο Davoudiasl. «Δεν θα μπορούσε να ήταν τόσο μεγάλα ή τόσο βίαια όσο το αρχικό, αλλά μπορεί να δικαιολογήσει μια αραίωση της σκοτεινής ύλης», είπε.

Στην αρχή, όταν οι θερμοκρασίες ανέρχονταν πάνω από δισεκατομμύρια βαθμούς σε ένα σχετικά μικρό όγκο του χώρου, τα σωμάτια της σκοτεινής ύλης μπορούσαν να συναντούν το ένα στο άλλο και να εκμηδενίζονται κατά την επαφή, μεταφέροντας την ενέργειά τους στα τυπικά συστατικά της ύλης-σε σωμάτια, όπως τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ. Αλλά καθώς το σύμπαν συνέχιζε να επεκτείνεται και να ψύχεται, τα σωμάτια της σκοτεινής ύλης όλο και λιγότερο συχνά συναντούσαν το ένα το άλλο και ο ρυθμός εκμηδένισης δεν μπορούσε να συμβαδίσει με το ρυθμό διαστολής.

«Σε αυτό το σημείο, το πλήθος της σκοτεινής ύλης είναι τώρα συνυφασμένο και δεν μπορεί να ξεχωρίσει», είπε ο Davoudiasl. «Θυμηθείτε: η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά πολύ ασθενικά. Έτσι, σε χαμηλότερες θερμοκρασίες δεν μπορεί να συνεχίζεται ο σημαντικός ρυθμός εκμηδένισης. Η αυτο-εκμηδένιση της σκοτεινής ύλης γίνεται αναποτελεσματική αρκετά νωρίς και η ποσότητα των σωματίων της σκοτεινής ύλης παγώνει».

Ωστόσο, όσο η ασθενέστερες είναι οι αλληλεπιδράσεις της σκοτεινής ύλης, δηλαδή όσο λιγότερο αποτελεσματική η εκμηδένιση, τόσο υψηλότερη θα ήταν το τελικό πλήθος των σωματίων της σκοτεινής ύλης. Καθώς τα πειράματα θέτουν όλο και πιο αυστηρούς περιορισμούς στην ένταση των αλληλεπιδράσεων της σκοτεινής ύλης, υπάρχουν κάποιες σύγχρονες θεωρίες που καταλήγουν να υπερεκτιμούν την ποσότητα της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν. Για να φέρουν τη θεωρία σε συμφωνία με τις παρατηρήσεις, ο Davoudiasl και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν ότι έλαβε χώρα μια άλλη πληθωριστική περίοδος, που τροφοδοτήθηκε από αλληλεπιδράσεις στον «κρυφό τομέα» της φυσικής. Αυτή η δεύτερη, πιο ήπια, περίοδος πληθωρισμού, που χαρακτηρίζονταν από γρήγορη αύξηση του όγκου, θα μπορούσε να αραιώσει το πλήθος των αρχέγονων σωματίων, αφήνοντας πιθανώς το σύμπαν με την πυκνότητα της σκοτεινής ύλης που παρατηρούμε σήμερα.

«Αναμφίβολα δεν είναι η καθιερωμένη κοσμολογία, αλλά θα πρέπει να δεχτείτε ότι το σύμπαν δεν μπορεί να διέπεται από τα πράγματα με τον συνήθη τρόπο που σκεφτόμαστε», είπε. «Αλλά εμείς δεν χρειάζεται να κατασκευάσουμε κάτι περίπλοκο. Δείχνουμε πώς ένα απλό μοντέλο μπορεί να πετύχει αυτό το σύντομο διάστημα πληθωρισμού στο πρώιμο σύμπαν και αιτιολογεί την ποσότητα της σκοτεινής ύλης που πιστεύουμε ότι υπάρχει εκεί έξω».

Το να αποδειχθεί η θεωρία, είναι ένα τελείως διαφορετικό θέμα. Ο Davoudiasl είπε ότι μπορεί να υπάρχει ένας τρόπος για να ψάξουν για τουλάχιστον τις πολύ αδύναμες των αλληλεπιδράσεων μεταξύ κρυφού τομέα και συνηθισμένης ύλης. «Αν αυτή η δευτερεύουσα πληθωριστική περίοδος συνέβη, θα πρέπει να χαρακτηρίζεται από ενέργειες που μπορούν να επιτευχθούν σε πειράματα σε επιταχυντές, όπως ο Σχετικιστικός Επιταχυντής Βαρέων Ιόντων (RHIC) και το LHC στο CERN», είπε. Μόνο ο χρόνος θα δείξει αν σημάδια ενός κρυφού τομέα θα εμφανιστούν σε συγκρούσεις στο εσωτερικό αυτών των επιταχυντών ή σε άλλες πειραματικές εγκαταστάσεις.

Πηγή: Brookhaven National Laboratory