Το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας μας λέει ότι μόνο το 4,9% του Σύμπαντος αποτελείται από συνηθισμένη ύλη (δηλαδή αυτό που μπορούμε να δούμε), ενώ το υπόλοιπο αποτελείται από 26,8% σκοτεινή ύλη και 68,3% σκοτεινή ενέργεια. Όπως υπονοούν τα ονόματα, δεν μπορούμε να τα δούμε, επομένως η ύπαρξή τους έπρεπε να συναχθεί με βάση θεωρητικά μοντέλα, παρατηρήσεις της μεγάλης κλίμακας δομής του Σύμπαντος και τις προφανείς βαρυτικές επιδράσεις του στην ορατή ύλη.
Από τότε που προτάθηκε για πρώτη φορά, δεν υπήρχαν ελλείψεις σχετικά με το πώς μοιάζουν τα σωματίδια Dark Matter. Πριν από λίγο καιρό, πολλοί επιστήμονες πρότειναν ότι το Dark Matter αποτελείται από αδύναμα αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια (WIMPs), τα οποία είναι περίπου 100 φορές τη μάζα ενός πρωτονίου αλλά αλληλεπιδρούν όπως τα νετρίνα. Ωστόσο, όλες οι προσπάθειες εύρεσης WIMP που χρησιμοποιούν πειράματα colliders έγιναν κενές. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες εξερευνούν τελευταία την ιδέα ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από κάτι άλλο εντελώς.
Τα τρέχοντα κοσμολογικά μοντέλα τείνουν να υποθέτουν ότι η μάζα της σκοτεινής ύλης είναι περίπου 100 Gev (Giga-electovolts), η οποία αντιστοιχεί στην κλίμακα μάζας πολλών από τα άλλα σωματίδια που αλληλεπιδρούν μέσω ασθενής πυρηνικής δύναμης. Η ύπαρξη ενός τέτοιου σωματιδίου θα ήταν συνεπής με τις υπερσυμμετρικές επεκτάσεις του Τυπικού Μοντέλου της φυσικής των σωματιδίων. Πιστεύεται επίσης ότι τέτοια σωματίδια θα είχαν παραχθεί στο ζεστό, πυκνό, πρώιμο Σύμπαν, με μια πυκνότητα μάζας ύλης που παρέμεινε συνεπής μέχρι σήμερα.
Ωστόσο, οι συνεχιζόμενες πειραματικές προσπάθειες για τον εντοπισμό των WIMPs δεν κατάφεραν να παράγουν συγκεκριμένες ενδείξεις για αυτά τα σωματίδια. Σε αυτά περιλαμβάνονται η αναζήτηση για τα προϊόντα της εξόντωσης WIMP (δηλαδή ακτίνες γάμμα, νετρίνα και κοσμικές ακτίνες) σε κοντινούς γαλαξίες και σμήνη, καθώς και πειράματα άμεσης ανίχνευσης που χρησιμοποιούν υπεραπολύτες, όπως το CERN Large Hadron Collider (LHC) στην Ελβετία.
Εξαιτίας αυτού, πολλές ερευνητικές ομάδες έχουν αρχίσει να εξετάζουν το ενδεχόμενο να κοιτάξουν πέρα από το πρότυπο WIMPs για να βρουν το Dark Matter. Μια τέτοια ομάδα αποτελείται από μια ομάδα κοσμολόγων από το CERN και το CP3-Origins στη Δανία, η οποία κυκλοφόρησε πρόσφατα μια μελέτη που δείχνει ότι το Dark Matter θα μπορούσε να είναι πολύ βαρύτερο και πολύ λιγότερο αλληλεπιδραστικό από ό, τι πιστεύαμε προηγουμένως.
Όπως είπε ο Δρ McCullen Sandora, ένα από τα μέλη της ερευνητικής ομάδας από το CP-3 Origins, στο Space Magazine μέσω email:
«Δεν μπορούμε ακόμη να αποκλείσουμε το σενάριο WIMP, αλλά με κάθε περνώντας χρόνο γίνεται όλο και πιο ύποπτο ότι δεν έχουμε δει τίποτα. Επιπλέον, η συνηθισμένη φυσική αδύναμη κλίμακα πάσχει από το πρόβλημα της ιεραρχίας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο όλα τα σωματίδια για τα οποία γνωρίζουμε είναι τόσο ελαφριά, ειδικά σε σχέση με τη φυσική κλίμακα βαρύτητας, την κλίμακα Planck, που είναι περίπου 1019 GeV. Έτσι, εάν η σκοτεινή ύλη ήταν πιο κοντά στην κλίμακα του Planck, δεν θα υποστείτο από το πρόβλημα της ιεραρχίας και αυτό θα εξηγούσε επίσης γιατί δεν έχουμε δει τις υπογραφές που σχετίζονται με τα WIMPs. "
Χρησιμοποιώντας ένα νέο μοντέλο που ονομάζουν Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), η ομάδα διερευνά το ανώτατο όριο μάζας της σκοτεινής ύλης. Ενώ τα WIMPs τοποθετούν τη μάζα της σκοτεινής ύλης στο ανώτατο όριο της κλίμακας electroweak, η Δανική ερευνητική ομάδα των Marthias Garny, McCullen Sandora και Martin S. Sloth πρότεινε ένα σωματίδιο με μάζα πλησίον μιας άλλης φυσικής κλίμακας - την κλίμακα Planck.
Στην κλίμακα Planck, μία μονάδα μάζας ισοδυναμεί με 2,17645 × 10-8 kg - περίπου ένα μικρογραμμάριο ή 1019 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός πρωτονίου. Σε αυτήν τη μάζα, κάθε PIDM είναι ουσιαστικά τόσο βαρύ όσο ένα σωματίδιο μπορεί να είναι πριν γίνει μια μικροσκοπική μαύρη τρύπα. Η ομάδα θεωρεί επίσης ότι αυτά τα σωματίδια PIDM αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη μόνο μέσω της βαρύτητας και ότι μεγάλος αριθμός από αυτά σχηματίστηκαν στο πολύ πρώιμο Σύμπαν κατά τη διάρκεια της εποχής «αναθέρμανσης» - μια περίοδο που συνέβη στο τέλος της πληθωριστικής εποχής, περίπου 10-36 t0 10-33 ή 10-32 δευτερόλεπτα μετά το Big Bang.
Αυτή είναι η εποχή που ονομάζεται έτσι επειδή, κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, οι κοσμικές θερμοκρασίες πιστεύεται ότι έχουν μειωθεί κατά 100.000 περίπου. Όταν τελείωσε ο πληθωρισμός, οι θερμοκρασίες επέστρεψαν στην προ-πληθωριστική τους θερμοκρασία (εκτιμάται 1027 Κ). Σε αυτό το σημείο, η μεγάλη δυνητική ενέργεια του πεδίου πληθωρισμού αποσυντέθηκε σε σωματίδια του Standard Model που γέμιζαν το Σύμπαν, τα οποία θα περιλάμβαναν το Dark Matter.
Φυσικά, αυτή η νέα θεωρία έρχεται με το μερίδιό της στις συνέπειες για τους κοσμολόγους. Για παράδειγμα, για να λειτουργήσει αυτό το μοντέλο, η θερμοκρασία της εποχής επαναθέρμανσης θα έπρεπε να ήταν υψηλότερη από την υποτιθέμενη. Επιπλέον, μια περίοδος θερμότερης αναθέρμανσης θα οδηγούσε επίσης στη δημιουργία πιο αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων, τα οποία θα ήταν ορατά στο Cosmic Microwave Background (CMB).
«Έχοντας μια τόσο υψηλή θερμοκρασία μας λέει δύο ενδιαφέροντα πράγματα για τον πληθωρισμό», λέει η Sandora. «Εάν η σκοτεινή ύλη αποδειχθεί PIDM: η πρώτη είναι ότι ο πληθωρισμός συνέβη σε πολύ υψηλή ενέργεια, πράγμα που με τη σειρά του σημαίνει ότι μπόρεσε να παράγει όχι μόνο διακυμάνσεις στη θερμοκρασία του πρώιμου σύμπαντος, αλλά και στον ίδιο τον χωροχρόνο, με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων. Δεύτερον, μας λέει ότι η ενέργεια του πληθωρισμού έπρεπε να αποσυντεθεί στην ύλη εξαιρετικά γρήγορα, γιατί αν είχε πάρει πολύ καιρό, το σύμπαν θα είχε κρυώσει στο σημείο που δεν θα μπορούσε να παράγει καθόλου PIDMs. "
Η ύπαρξη αυτών των βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε να επιβεβαιωθεί ή να αποκλειστεί από μελλοντικές μελέτες που περιλαμβάνουν Cosmic Microwave Background (CMB). Αυτά είναι συναρπαστικά νέα, καθώς η πρόσφατη ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων αναμένεται να οδηγήσει σε νέες προσπάθειες για την ανίχνευση αρχέγονων κυμάτων που χρονολογούνται από την ίδια τη δημιουργία του Σύμπαντος.
Όπως εξήγησε η Sandora, αυτό παρουσιάζει ένα σενάριο win-win για τους επιστήμονες, καθώς σημαίνει ότι αυτός ο τελευταίος υποψήφιος για το Dark Matter θα είναι σε θέση να αποδειχθεί ή να αποδειχθεί στο εγγύς μέλλον.
«Το σενάριό σας κάνει μια συγκεκριμένη πρόβλεψη: θα δούμε κύματα βαρύτητας στην επόμενη γενιά κοσμικών πειραμάτων μικροκυμάτων. Επομένως, είναι ένα σενάριο χωρίς απώλεια: αν τα δούμε, είναι υπέροχο και αν δεν τα δούμε, θα γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ύλη δεν είναι PIDM, πράγμα που σημαίνει ότι γνωρίζουμε ότι πρέπει να έχει κάποιες επιπλέον αλληλεπιδράσεις με συνηθισμένη ύλη. Και όλα αυτά θα συμβούν μέσα στην επόμενη δεκαετία, κάτι που μας δίνει πολλά να περιμένουμε. "
Από τότε που ο Jacobus Kapteyn πρότεινε για πρώτη φορά την ύπαρξη του Dark Matter το 1922, οι επιστήμονες έψαχναν για κάποιες άμεσες αποδείξεις για την ύπαρξή του. Και ένα προς ένα, υποψήφια σωματίδια - που κυμαίνονται από gravitinos και MACHOS έως axions - έχουν προταθεί, σταθμιστεί και βρεθεί ότι θέλουν. Εάν τίποτα άλλο, είναι καλό να γνωρίζουμε ότι η ύπαρξη αυτού του τελευταίου υποψήφιου σωματιδίου μπορεί να αποδειχθεί ή να αποκλειστεί στο εγγύς μέλλον.
Και αν αποδειχθεί ότι είναι σωστό, θα έχουμε επιλύσει ένα από τα μεγαλύτερα κοσμολογικά μυστήρια όλων των εποχών! Ένα βήμα πιο κοντά για να κατανοήσουμε πραγματικά το Σύμπαν και πώς αλληλεπιδρούν οι μυστηριώδεις δυνάμεις του. Θεωρία των πάντων, εδώ ερχόμαστε (ή όχι)!