Der Urknall war möglicherweise nicht allein. Das Erscheinen aller Teilchen und Strahlung im Universum könnte durch einen weiteren Urknall ergänzt worden sein, der unser Universum mit Teilchen dunkler Materie überflutete. Und wir können es vielleicht erkennen.
Im kosmologischen Standardbild war das frühe Universum ein sehr exotischer Ort. Das vielleicht folgenreichste Ereignis in unserem Kosmos war das Ereignis der Inflation, die unser Universum sehr früh nach dem Urknall in eine Zeit extrem schneller Expansion schickte. Als die Inflation endete, zerfielen die exotischen Quantenfelder, die dieses Ereignis antrieben, und verwandelten sich in die Flut von Teilchen und Strahlung, die heute noch vorhanden ist.
Als unser Universum weniger als 20 Minuten alt war, begannen sich diese Teilchen während der sogenannten Urknall-Nukleosynthese zu den ersten Protonen und Neutronen zusammenzufügen. Die Urknall-Nukleosynthese ist eine Säule der modernen Kosmologie, da die dahinter stehenden Berechnungen die Menge an Wasserstoff und Helium im Kosmos genau vorhersagen.
Doch trotz des Erfolgs unseres Bildes des frühen Universums verstehen wir immer noch nicht die Dunkle Materie, die die mysteriöse und unsichtbare Form der Materie ist, die den Großteil der Masse im Kosmos einnimmt. Die Standardannahme in Urknallmodellen ist, dass jeder Prozess, der Partikel und Strahlung erzeugt, auch die dunkle Materie erzeugt hat. Und danach hing die dunkle Materie einfach herum und ignorierte alle anderen.
Aber ein Team von Forschern hat eine neue Idee vorgeschlagen. Sie argumentieren, dass unsere Ära der Inflation und der Urknall-Nukleosynthese nicht allein war. Dunkle Materie hat sich möglicherweise auf einer völlig anderen Bahn entwickelt. In diesem Szenario, als die Inflation endete, überschwemmte sie das Universum immer noch mit Partikeln und Strahlung. Aber keine dunkle Materie. Stattdessen blieb ein Quantenfeld übrig, das nicht zerfiel. Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, verwandelte sich dieses zusätzliche Quantenfeld schließlich selbst und löste die Bildung dunkler Materie aus.
Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass er die Entwicklung der Dunklen Materie von der normalen Materie entkoppelt, sodass die Urknall-Nukleosynthese so ablaufen kann, wie wir sie derzeit verstehen, während sich die Dunkle Materie auf einer separaten Bahn entwickelt.
Dieser Ansatz eröffnet auch Möglichkeiten zur Erforschung einer Vielzahl theoretischer Modelle der Dunklen Materie, denn jetzt, da sie eine separate Evolutionsspur hat, ist es einfacher, in den Berechnungen den Überblick zu behalten, um zu sehen, wie sie mit Beobachtungen verglichen werden könnte. So konnte das Team hinter der Veröffentlichung beispielsweise feststellen, dass ein sogenannter dunkler Urknall geschehen musste, als unser Universum weniger als einen Monat alt war.
Die Forschung fand auch heraus, dass das Erscheinen eines dunklen Urknalls eine sehr einzigartige Signatur starker Gravitationswellen freisetzte, die bis ins heutige Universum andauern würden. Laufende Experimente wie Pulsar-Timing-Arrays sollten in der Lage sein, diese Gravitationswellen zu erkennen, falls sie existieren.
Wir wissen immer noch nicht, ob ein dunkler Urknall stattgefunden hat, aber diese Arbeit zeigt einen klaren Weg auf, um die Idee zu testen. Die Studie erscheint auf der arXiv Preprint-Server.
Mehr Informationen:
Katherine Freese et al, Dunkle Materie und Gravitationswellen eines dunklen Urknalls, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2302.11579