Co když temná hmota, záhadná substance tvořící většinu hmoty ve vesmíru, nebyla vždy temná a těžká? Co když začala jako čisté světlo – částice bez hmotnosti, svištící prostorem závratnou rychlostí?

Právě to navrhuje nová studie vědců z Dartmouthu, která se snaží přepsat kapitolu o původu temné hmoty. Místo neviditelné síly odjakživa skryté ve stínu galaxií by temná hmota mohla být výsledkem dramatického přerodu – proměny světla ve hmotu, ve stylu kosmického alchymistického triku.

Teorie s kořeny ve světě supravodičů

Profesor fyziky a astronomie Robert Caldwell a student fyziky Guanming Liang představili v prestižním časopise Physical Review Letters model, podle kterého se temná hmota zrodila z vysokoenergetických, hmotnosti zbavených částic krátce po Velkém třesku.

Jejich model vychází z pozoruhodné analogie: částice v časných fázích vesmíru se chovaly podobně jako elektrony ve supravodičích. Při extrémně nízkých teplotách se elektrony mohou spojovat do tzv. Cooperových párů a vést proud bez odporu. Podobně se i světelné částice mohly spojit díky vzájemně opačným směrům rotace – podobně jako se přitahují póly magnetu.

Jakmile však ve vesmíru začala klesat teplota, tato nestabilní rovnováha se zlomila. Energie párů náhle padla a částice přestaly být rychlé a lehké – místo toho se „srazily“ do těžkých, pomalých shluků. A právě ty dnes známe jako temnou hmotu.

Zdroj: Shutterstock

Světlo, které ztuhlo do tmy

Tato teorie odporuje běžnému pojetí temné hmoty, která se podle současné kosmologie považuje za studenou a těžkou už od samého počátku. Caldwell a Liang ale navrhují elegantní evoluční příběh, kde se temná hmota „zrodila“ z chaosu světelných částic krátce po Velkém třesku.

„Temná hmota začala svůj život téměř jako světlo – jako rychlé, beztížné částice,“ říká Caldwell. „Naším cílem bylo ukázat, jak se z těchto částic staly chladné a těžké shluky, které dnes dávají tvar galaxiím.“

Fyzikální přechod: Když vesmír vychladl

Zásadní moment nastal v době, kdy se vesmír po Velkém třesku začal rozpínat a chladnout. V tomto období, známém jako raný vesmír, byly přítomny obrovské množství částic podobných fotonům – kvantům světla.

Podle nové teorie se tyto částice díky své spinové konfiguraci mohly spojit do párů. Jakmile teplota klesla pod určitou mez, došlo k prudkému snížení energie těchto párů. Tato „energetická propast“ je podle autorů právě tím bodem zlomu, kdy se světlo mění v temnotu.

„Je to jako kdyby se dvojité espresso změnilo v chladnou ovesnou kaši,“ říká obrazně Liang. „Tímto přechodem se vysvětluje, proč má dnešní vesmír tak nízkou hustotu energie ve srovnání s tím, jak energeticky nabitý byl v minulosti.“

Klíč k důkazu: reliktní záření

Nejde jen o hezkou teorii – model vědců nabízí i možnost ověřitelného testu. Temná hmota podle této teorie zanechala ve vesmíru konkrétní otisk: slabou, ale specifickou stopu v kosmickém mikrovlnném pozadí (CMB), což je reliktní záření z doby 380 000 let po Velkém třesku.

Tato „fosilie“ raného vesmíru je intenzivně zkoumána v rámci projektů jako Simons Observatory v Chile nebo chystané mise CMB-S4. Pokud by v datech byla nalezena předpovězená signatura, byla by to silná podpora nové teorie.

Jednoduchost, která překvapuje

Caldwell a Liang tvrdí, že jejich teorie nestojí na komplikovaných předpokladech nebo exotických hypotézách. Využívá známé fyzikální jevy, jako je supravodivost, a přenáší je na podmínky raného vesmíru.

„Naše rovnice jsou krásně jednoduché,“ říká Liang. „Nepotřebujete vymýšlet nové fyzikální zákony. Jen se správně podívat na to, co už známe.“