Μια νέα μελέτη στο Physical Review Letters υποστηρίζει ότι τα υποθετικά «σκοτεινά φωτόνια», ένας από τους υποψήφιους φορείς της σκοτεινής ύλης, πιθανότατα δε θέρμαναν το πρώιμο σύμπαν στον βαθμό που είχε θεωρηθεί. Το εύρημα ανοίγει μια μεγάλη περιοχή παραμέτρων για νέες αναζητήσεις σκοτεινής ύλης.
Μια διαφορετική εικόνα για τα σκοτεινά φωτόνια
Οι φυσικοί θεωρούσαν ότι τα σκοτεινά φωτόνια θα μπορούσαν να μετατρέπονται σε συνηθισμένα φωτόνια μέσα στο καυτό πλάσμα φορτισμένων σωματιδίων του πρώιμου σύμπαντος. Η μετατροπή αυτή θα μετέφερε ενέργεια στο πλάσμα και θα άφηνε κοσμολογικά ίχνη.
Ωστόσο, η νέα ανάλυση δείχνει ότι η υπόθεση της γραμμικής μετατροπής δεν περιγράφει σωστά τη διαδικασία. «Η αντιμετώπιση των τελευταίων 15 ετών είναι γραμμική», δήλωσε ο Junwu Huang. «Αν χρησιμοποιήσεις αυτή την προσέγγιση, μπορείς να υπολογίσεις τη μεταφορά ενέργειας και είναι πολύ μεγάλη. Και συνειδητοποίησα ότι αυτό δεν είναι δυνατό».
Το πλάσμα γίνεται έντονα μη γραμμικό
Οι ερευνητές στράφηκαν στη φυσική των πλασμάτων και πραγματοποίησαν προσομοιώσεις που έδειξαν ότι, μόλις αρχίσει να μεταφέρεται ενέργεια από τα σκοτεινά φωτόνια στο πλάσμα, εμφανίζονται έντονες μη γραμμικές διεργασίες.
Αυτές οι διεργασίες ουσιαστικά διακόπτουν τη μετατροπή αφού έχει μεταφερθεί μόνο ένα πολύ μικρό μέρος της διαθέσιμης ενέργειας. Έτσι, το πλάσμα δε θερμαίνεται σημαντικά και οι προηγούμενοι κοσμολογικοί περιορισμοί για τα σκοτεινά φωτόνια δεν ισχύουν όπως θεωρούνταν.
Νέος χώρος για πειράματα
Σύμφωνα με τη νέα μελέτη, οι συμβατικοί περιορισμοί καταρρέουν σε μια περιοχή περίπου δέκα τάξεων μεγέθους στη μάζα των σκοτεινών φωτονίων, από περίπου 10⁻¹⁵ έως 10⁻⁶ eV. Η περιοχή αυτή αντιστοιχεί χονδρικά σε συχνότητες από kilohertz έως gigahertz.
«Με τον σωστό υπολογισμό του πλάσματος του πρώιμου σύμπαντος, τα πειράματα θα εξετάσουν νέες περιοχές παραμέτρων και ενδεχομένως θα δουν κάτι», εξήγησε ο Mohamad Shalaby.
Επιπτώσεις πέρα από τη σκοτεινή ύλη
Η σημασία της εργασίας μπορεί να επεκτείνεται και σε άλλα αστροφυσικά συστήματα. Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι γραμμικές προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται για την απλοποίηση πολύπλοκων υπολογισμών ενδέχεται να αποτυγχάνουν σε ακραία περιβάλλοντα, όπως οι μαγνητόσφαιρες άστρων νετρονίων και λευκών νάνων.
Η μελέτη δείχνει έτσι ότι η συνδυασμένη μελέτη φυσικής πλασμάτων και σωματιδιακής φυσικής μπορεί να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο αναζητούμε άγνωστα σωματίδια και ερμηνεύουμε τα ίχνη τους στο σύμπαν.
