Dwóch naukowców z Departamentu Badań Podstawowych NCBJ uzyskało finansowanie w ramach konkursu SONATINA 10 Narodowego Centrum Nauki. Konkurs wspiera kariery młodych badaczy, poprzez stworzenie możliwości prowadzenia badań naukowych w Polsce oraz umożliwienie zdobycia wiedzy i doświadczenia podczas realizacji staży w wysokiej jakości zagranicznych ośrodkach naukowych.

W 10. edycji konkursu SONATINA zgłoszono 333 projekty badawcze, z których 76 uzyskało finansowanie. Spośród 35 przedsięwzięć z kategorii nauk ścisłych i technicznych, środki przyznano dwóm projektom, którymi kierują naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ).

Badanie niepoznanych obszarów kosmicznej inflacji: dokładne przewidywania dotyczące czarnych dziur i fal grawitacyjnych – dr Danilo Pedro Artigas Guimarey

Zgodnie ze współczesną kosmologią nasz wszechświat powstał około czternaście miliardów lat temu. W ułamku sekundy po swoim powstaniu przeszedł on przez fazę zwaną kosmiczną inflacją, podczas której przestrzeń rozszerzała się niezwykle szybko, podwajając swoje rozmiary około sześćdziesiąt razy. W trakcie tej fazy drobne fluktuacje kwantowe zostały rozciągnięte do skal kosmicznych, wprowadzając pierwsze niejednorodności we wszechświecie. Z czasem niejednorodności te rosły, aż ostatecznie doprowadziły do powstania pierwszych galaktyk oraz wielkoskalowej struktury wszechświata, którą obserwujemy dzisiaj.

Celem tego projektu jest lepsze zrozumienie fazy kosmicznej inflacji poprzez badanie dwóch możliwych śladów, które mogła ona pozostawić: pierwotnych czarnych dziur oraz pierwotnych fal grawitacyjnych. Jeśli istnieją, pierwotne czarne dziury byłyby najstarszymi czarnymi dziurami w naszym wszechświecie, powstałymi krótko po inflacji, gdy fluktuacje kwantowe stały się na tyle duże, że zapadły się pod wpływem własnej grawitacji. Obiekty te są szczególnie interesujące, ponieważ mogłyby wyjaśnić naturę ciemnej materii – niewidocznej formy materii, która stanowi około jedną czwartą zawartości wszechświata. Pierwsze niejednorodności mogły również wygenerować pierwotne fale grawitacyjne, czyli zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni, które mogą przemieszczać się przez kosmos i które astronomowie starają się obecnie wykryć.

Projekt pozwoli na opracowanie nowych ram teoretycznych umożliwiających przewidywanie liczby czarnych dziur i fal grawitacyjnych powstających w różnych modelach inflacji. W szczególności badania te analizują, w jaki sposób pierwotne czarne dziury mogą tworzyć skupiska oraz jak takie skupiska mogą emitować fale grawitacyjne. Zrozumienie tej zależności jest kluczowe, ponieważ oba zjawiska mają wspólne źródło w tych samych pierwotnych niejednorodnościach, a zatem niosą komplementarne informacje o fizyce wczesnego wszechświata.

Ciemna materia w środowiskach o wysokiej energii – dr Jaime Hoefken Zink

Ciemna materia jest jedną z największych zagadek współczesnej nauki. Choć nie emituje światła i nie może być bezpośrednio obserwowana, przytłaczające dowody astronomiczne wskazują, że stanowi około 85% całej materii we Wszechświecie. Naukowcy próbują wykryć cząstki ciemnej materii za pomocą podziemnych detektorów, potężnych akceleratorów cząstek oraz teleskopów kosmicznych. Do tej pory poszukiwania te nie doprowadziły do potwierdzonego odkrycia. Jednym z powodów jest to, że ciemna materia może oddziaływać z materią zwykłą niezwykle słabo, co czyni jej obserwację w warunkach laboratoryjnych wyjątkowo trudną. W szczególności cząstki o stosunkowo małej masie mogą pozostawać poza zasięgiem obecnych eksperymentów.

Projekt proponuje nową strategię: zamiast polegać wyłącznie na laboratoriach na Ziemi, sam Wszechświat posłuży jako naturalne laboratorium badawcze. Niektóre środowiska astrofizyczne, takie jak gwiazdy neutronowe, czarne dziury czy aktywne galaktyki, należą do najbardziej energetycznych miejsc w przyrodzie. W tych ekstremalnych warunkach cząstki ciemnej materii mogą zostać rozpędzone do bardzo wysokich prędkości lub uczestniczyć w oddziaływaniach o energiach niemożliwych do osiągnięcia na Ziemi. Procesy te mogą prowadzić do powstawania charakterystycznych sygnałów w postaci wysokoenergetycznego promieniowania lub neutrin, które mogą być rejestrowane przez nowoczesne teleskopy.

Celem projektu jest opracowanie nowych narzędzi teoretycznych pozwalających przewidzieć, jak ciemna materia zachowuje się w takich ekstremalnych środowiskach oraz określić, jakie obserwowalne sygnały mogłyby ujawnić jej obecność. Naukowcy zbadają, w jaki sposób ciemna materia oddziałuje ze zwykłą materią w warunkach wysokich energii, przeanalizują wcześniej pomijane mechanizmy oddziaływań oraz ocenią, jak procesy te mogą prowadzić do mierzalnych efektów. Projekt pozwoli także wskazać, które obecne i przyszłe obserwatoria mają największe szanse na wykrycie takich sygnałów.

Serdecznie gratulujemy i życzymy sukcesów w badaniach naukowych!