初期宇宙:暗黒物質形成の極限状態

暗黒物質は宇宙の物質の大部分 (約 85%) を占めていますが、光を発したり、望遠鏡と直接相互作用したりすることはありません。科学者たちは、銀河や銀河団に対する重力の影響からその存在を推測しています。標準的な宇宙論モデルでは、長い間「冷たい」暗黒物質が好まれてきました。なぜなら、高速で移動する粒子が小さな密度変動を平滑化し、銀河の形成を妨げるからです。

現在、新しい研究は、目に見える以上の意味があることを示唆しています。

ミネソタ・ツインシティ大学とパリ・サクレー大学の物理学者らは、暗黒物質が光速に近い速度で競争し始めた可能性があると報告している。それでも結局、銀河の形成に必要な遅い暗黒物質のように振る舞うことになる。彼らの発見はフィジカルレビューレターに掲載されました。 、ビッグバン直後のほとんど見落とされていた瞬間を再訪し、宇宙論の最も古い議論の 1 つを再開します。

「暗黒物質が謎であることはよく知られています。暗黒物質について私たちが知っている数少ないことの一つは、暗黒物質が冷たい必要があるということです」と、ミネソタ大学の大学院生で研究論文の筆頭著者であるスティーブン・ヘンリッヒ氏は言う。

「その結果、過去 40 年間、ほとんどの研究者は、暗黒物質が原始宇宙で誕生するときは冷たいに違いないと信じてきました。私たちの最近の研究結果は、そうではないことを示しています。実際、暗黒物質は誕生時には赤熱している可能性がありますが、銀河が形成され始める前にまだ冷える時間があります。」

忘れられた時代

新しい研究は、宇宙インフレーションの後に起こった再加熱と呼ばれる、宇宙論における短くてよく理解されていない期間に焦点を当てています。インフレーションは初期の宇宙を急速に拡大させましたが、インフレーションが終わっても、そのエネルギーはすぐには物質になりませんでした。その代わりに、宇宙が膨張を続ける間に、そのエネルギーはゆっくりと粒子に変化しました。

初期のモデルでは、再加熱はほぼ瞬時に起こり、放射線が宇宙を支配する前に熱い粒子が冷える時間がなくなると想定していました。その仮定を緩和することで、研究者らは、超相対論的暗黒物質は、後に銀河形成に適合するのに十分なエネルギーを失う可能性があることを発見しました。

ヘンリッヒと彼の同僚は、暗黒物質自体が再加熱されている間に暗黒物質がより早期に分離したらどうなるのかを尋ねた。彼らはこのプロセスを超相対論的フリーズアウトと呼んでいます。結局のところ、暗黒物質はまだ非常に熱い間は相互作用を停止し、宇宙が膨張するにつれて冷却され、従来の冷たい暗黒物質のように振る舞うことになります。

メカニズム自体は珍しいものではありません。これは、通常のニュートリノが光速に近い速度で移動しながら、約 100 万電子ボルト (摂氏約 100 億度) の温度で他の粒子との相互作用を停止した初期宇宙から切り離されたのと同じプロセスです。

「最も単純な暗黒物質の候補である低質量ニュートリノは、銀河サイズの構造に種をまくのではなく消滅させてしまう可能性があるため、40年以上前に除外されていた」とミネソタ大学教授で研究論文の共著者であるキース・オリーブ氏は声明で述べた。

「同じような候補が、熱いビッグバン宇宙が作られているときに作られたとしたら、実際に冷たい暗黒物質として機能するところまで冷えた可能性があるということは驚くべきことです。」

理論間の橋渡し

この発見は、暗黒物質研究における微妙な時期に当たる。長年にわたり、実験的研究は WIMP に焦点を当ててきました。WIMP とは、弱く相互作用し、自然に冷たく凍る巨大な粒子です。 WIMPS は暗黒物質の有力な候補と考えられていますが、大規模な取り組みにもかかわらず、説得力のある信号は現れていません。

弱く相互作用する大質量粒子などの他のアイデアは、通常の物質とほとんど相互作用しないことでこれらの制限を回避します。そのため、検出が非常に困難になります。

超相対論的フリーズアウトは、これらのアプローチの中間に位置します。このシナリオでは、暗黒物質は早期にデカップリングしますが、銀河や宇宙マイクロ波背景放射の観測と互換性を維持します。

研究者らは、再加熱中の現実的な条件下では、数千電子ボルトより重い暗黒物質粒子は、宇宙構造が形成され始める前に十分に減速することを発見した。この結果により、科学者がこれまで除外していた多くの粒子候補が復活します。

このようにして形成された暗黒物質は、それ自体の再加熱に関する情報を運ぶ可能性があります。これは、他の方法では研究が難しい宇宙の相です。

「私たちの新たな発見により、ビッグバンに非常に近い宇宙の歴史の時代にアクセスできるかもしれません」と、パリサクレー大学の物理学者であり、この研究の共著者であるヤン・マンブリーニ氏は述べています。