Nowatorskie podejście do rozdzielania materii barionowej od ciemnej w modelu Λ-CDM

Zespół badawczy z Uniwersytetu Wrocławskiego, w skład którego wchodzą prof. Andrzej Borowiec oraz doktorant Marcin Postolak, opublikował w prestiżowym czasopiśmie Physics Letters B wyniki badań dotyczących możliwości oddzielenia materii barionowej od ciemnej w ramach standardowego modelu Λ-CDM [1].

Przedmiotem badań było teoretyczne ujęcie nieminimalnego sprzężenia pola skalarnego z materią w kosmologii Friedmana-Lemaître’a-Robertsona-Walkera (FLRW). Autorzy rozszerzyli klasyczne podejście poprzez zastosowanie funkcji generującej, co pozwoliło na sformułowanie i rozwiązanie równań dynamicznych opisujących niezachowanie tensora energii-pędu w obecności mechanizmu kameleona.

W szczególności badania umożliwiły:

• Wyprowadzenie jawnych wyrażeń dla gęstości energii i ciśnienia w przypadku nieminimalnego sprzężenia pola skalarnego z dowolnym rodzajem materii/energii. Dzięki temu możliwe jest modelowanie realistycznych scenariuszy kosmologicznych, w tym imitowanie ciemnej materii i energii;
• Analizę warunków energetycznych, w której wykazano, że w określonych sytuacjach (z matematycznego punktu widzenia) gęstość energii może przyjmować wartości ujemne, co może stanowić ślad efektów związanych (z jak dotąd nieznaną) teorią kwantowej grawitacji.

Ponadto, mechanizm ekranowania (kameleona) pozwolił na uzyskanie proporcji między materią barionową a ciemną w zgodzie z aktualnymi danymi obserwacyjnymi. Wyznaczony stosunek ciemnej materii do barionowej wynoszący w przybliżeniu 1:5 jest zgodny z wynikami z misji Planck, potwierdzając potencjalną zdolność proponowanego formalizmu do odtwarzania współczesnej struktury Wszechświata.

Praca wykazała również, iż nieminimalne sprzężenie pola skalarnego typu „phantom” umożliwia opis kosmologii z fazą odbicia (tzw. matter bounce), w której faza kontrakcji Wszechświata przechodzi w fazę ekspansji. Taki scenariusz eliminuje problem osobliwości początkowej obecny w standardowym modelu Wielkiego Wybuchu. Wyniki numeryczne wskazują, że wprowadzenie odbicia nie zakłóca późniejszej zgodności modelu z obserwacjami kosmologicznymi.

Warto nadmienić, że klasyczny scenariusz inflacyjny, choć skuteczny w wyjaśnianiu przestrzennej płaskości i jednorodności Wszechświata, zmaga się z istotnymi problemami, takimi jak [2]:

• Precyzyjne dostrajanie parametrów swobodnych dla potencjału inflatonu, wymagające arbitralnych założeń;
• Niejasna natura i pochodzenie inflatonu (żadne ze znanych pól w fizyce zdaje się nie spełniać warunków stawianych dla inflatonu), którego istnienie pozostaje ciągle hipotezą;
• Problem trans-Planckowski – potencjalna inflacja musiała mieć miejsce w przedziale czasu bardzo bliskim epoce Plancka, w której znane nam prawa fizyki (klasyczne i kwantowe) wydają się nie mieć zastosowania.

Przedstawiony w pracy model z fazą odbicia stanowi potencjalną alternatywę, eliminując konieczność wprowadzania inflatonu oraz osobliwości początkowej. Niemniej jednak modele tego typu napotykają wyzwania, takie jak stabilność dynamiki wczesnego Wszechświata, problem entropii czy zgodność z teorią perturbacji kosmologicznych.

Zaprezentowany w artykule formalizm otwiera nowe możliwości badawcze, w tym dalsze testowanie mechanizmu kameleona oraz funkcji generujących. Szczególnie istotne jest przeprowadzenie analizy perturbacji kosmologicznych, która pozwoliłaby na precyzyjną weryfikację modeli w kontekście danych obserwacyjnych.
Pełen tekst artykułu został opublikowany w ramach otwartego dostępu (link).

Bibliografia:
[1] A. Borowiec, M. Postolak, Is it possible to separate baryonic from dark matter within the Λ-CDM formalism?, Phys. Lett. B 860, 139176 (2025).
[2] M. Postolak, Did the Big Bang and cosmic inflation really happen? (A tale of alternative cosmological models), arXiv:2404.18503, 4 2024, strona internetowa CosmoVerse.