Międzynarodowy zespół naukowców opublikował w prestiżowym czasopiśmie "Nature Astronomy" wyniki badań wskazujące na możliwe istnienie powiązań między ciemną materią a neutrinami. Kluczowa analiza, która doprowadziła do tych wniosków, była kierowana przez badaczy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ). 

Zgodnie ze standardowym modelem kosmologicznym, ewolucja wczesnego kosmosu była wynikiem „tańca” gorącego promieniowania oraz materii, zdominowanej przez wciąż tajemniczą ciemną materię. Te dwa składniki zdeterminowały pierwotny rozkład struktur, z których wyłoniły się galaktyki – w tym nasza Droga Mleczna. Istotną, choć wciąż mniej znaną rolę w tym procesie pełniły również neutrina, czyli najbardziej nieuchwytne ze znanych nam cząstek.

Teoria przewiduje, że prastare neutrina, powstałe tuż po Wielkim Wybuchu, powinny wypełniać kosmos podobnie do wszechobecnego mikrofalowego promieniowania tła (CMB). Niestety, obecne detektory nie są wystarczająco czułe, by wykryć to „kosmiczne tło neutrinowe” bezpośrednio. Dlatego badacze skupiają uwagę na niemowlęcym okresie istnienia Wszechświata, kiedy neutrina były znacznie liczniejsze i miały większy wpływ na otoczenie.

Dyskusja o tym, czy neutrina mogły wówczas „kontaktować się” z ciemną materią, toczy się od ponad dwóch dekad. Ostatnie lata przyniosły jednak nowe ciekawe rezultaty. Pierwsze sygnały o możliwym oddziaływaniu tych składników pojawiły się w danych dotyczących tzw. lasu Lyman-alfa. To gąszcz linii absorpcyjnych w widmie odległych kwazarów, który pozwala astronomom mapować rozkład materii. Podobne, subtelne sygnały dostrzeżono następnie w danych z satelity Planck.

Najnowsza praca dokłada do tej układanki nowy element: analizę słabego soczewkowania grawitacyjnego. Zjawisko to polega na minimalnych odkształceniach obrazów odległych galaktyk, spowodowanych zakrzywianiem ich światła przez masywne obiekty leżące na drodze do Ziemi. Analiza ta sugeruje, że materia we Wszechświecie jest rozłożona odrobinę bardziej równomiernie, niż zakładały proste modele. Oddziaływania neutrin z ciemną materią mogą idealnie wyjaśnić tę anomalię.

Pierwszym autorem artykułu jest dr Lei Zu, który realizował badania jako stypendysta programu NAWA Ulam w NCBJ, w zespole kierowanym przez dr. hab. Sebastiana Trojanowskiego (Zakład Fizyki Teoretycznej NCBJ oraz Astrocent/CAMK PAN). - Wyłonienie tego efektu wymagało zastosowania nowatorskiego podejścia do badania nieliniowych zaburzeń w strukturze kosmosu. Oparliśmy naszą analizę na zaawansowanych symulacjach wielociałowych oraz przybliżeniach uzyskanych metodami uczenia maszynowego – komentuje dr Zu, który obecnie kontynuuje karierę w Narodowym Obserwatorium Astronomicznym Japonii.

Nowa metoda pozwoliła badaczom pokazać, że statystyczna istotność anomalii wzrosła po uwzględnieniu dodatkowych danych. Ta spójność wyników jest intrygująca, ale naukowcy zachowują ostrożność. - Wyjaśnienie i rygorystyczne sprawdzenie tak wyraźnego efektu wymaga wyjścia poza typowe przybliżenia stosowane w kosmologii cząstek, co będzie przedmiotem dalszych badań – dodaje dr Trojanowski. Ostateczne rozstrzygnięcie mają przynieść nadchodzące wielkie przeglądy nieba, takie jak te z Obserwatorium Very C. Rubin oraz dokładniejsze prace teoretyczne. Pozwolą one stwierdzić, czy jesteśmy świadkami nowego odkrycia w ciemnym sektorze, czy też nasze modele kosmologiczne wymagają innej korekty. Każdy z tych scenariuszy przybliża nas jednak do rozwiązania zagadki ciemnej materii.

Badania przedstawione w pracy zostały sfinansowane z grantu NCN SONATA BIS nr 2021/42/E/ST2/00031 oraz programu NAWA Ulam nr BPN/ULM/2023/1/00107/U/00001.