Темная материя может состоять из множества частиц и масс, подобно обычным элементам в периодической таблице, предполагает новая теория.
Согласно новым исследованиям, Вселенная могла породить темную материю в первые несколько минут после Большого взрыва. Затем эти частицы попали в сверхплотные кластеры. Некоторые из этих кластеров разлетелись на части, превратившись в черные дыры, которые затем растворились в потоке из множества “видов” частиц темной материи, создав “периодическую таблицу темной материи” из невидимых элементов.
Физики до сих пор бьются над объяснением темной материи – загадочной, невидимой формы вещества, составляющей подавляющее большинство массы Вселенной. Хотя космологи и астрономы выявили косвенные доказательства существования темной материи – от скорости вращения звезд внутри галактик до самых крупных структур, видимых в космосе, – они так и не смогли определить, что именно представляет собой темная материя.
В предыдущих работах предполагалось, что темная материя проста: это один вид чрезвычайно легких частиц, наводняющих Вселенную, которые практически не взаимодействуют с обычной материей. Однако интенсивные поиски таких частиц не дали результатов. Это заставило космологов задуматься о том, что частицы темной материи могут быть гораздо более редкими, но и гораздо более тяжелыми. Физики-теоретики изо всех пытались найти модели, в которых ранняя Вселенная была бы заполнена необходимым количеством таких тяжелых частиц.
В новом исследовании, опубликованном в октябре в базе данных препринтов arXiv, группа космологов нашла способ генерировать массивные частицы темной материи вскоре после Большого взрыва. Для этого в общую картину нужно было добавить черные дыры.
В статье отмечается, что ранняя Вселенная претерпела серьезные фазовые переходы, когда силы природы разделились, превратившись из единой силы в четыре фундаментальные силы, действующие и по сей день. При каждом переходе менялась физическая основа. Это не так невероятно, как кажется, поскольку ученые могут воспроизвести последние из этих переходов в ускорителях частиц: при достаточно высоких энергиях, воссоздающих первые несколько секунд Большого взрыва, мы можем наблюдать, как электромагнитные и слабые ядерные силы сливаются в одну.
Исследователи обнаружили, что сверхтяжелая темная материя может оказаться в ловушке во время одного из таких фазовых переходов в ранней Вселенной. Если переход был беспорядочным, то это привело бы к образованию “пузырей”, в которых некоторые участки Вселенной перешли к новой физике, а остальные еще нет (подобно кипению воды, когда газовая фаза воды находится в пузырях, окруженных жидкостью).
В их модели самая ранняя темная материя была легкой, а темная материя более поздних периодов – тяжелой. В этом сценарии темная материя оказывается в ловушке, внутри пузырей, где плотность резко возрастает до такой степени, что вся темная материя коллапсирует и образует черные дыры. Эти черные дыры вскоре испаряются из-за излучения Хокинга, при котором излучение медленно “утекает” из черных дыр в виде тепловой энергии, задолго до появления нормальной материи.
Но, как показала модель, разработанная группой исследователей, по мере испарения черных дыр темная материя возвращается, поскольку черные дыры перед смертью выбрасывают новые частицы темной материи. Этот хитроумный механизм ограничивает общее количество массы темной материи во Вселенной, поскольку только такое количество может покинуть черные дыры, прежде чем они полностью испарятся.
Процесс испарения также приводит к появлению множества видов частиц темной материи. Хотя все частицы темной материи обладают общими характеристиками (например, вероятной почти полной невидимостью), они будут отличаться друг от друга массой, скоростью и способами взаимодействия с обычной материей. В предложенной модели темная материя представляет собой обширную совокупность различных видов частиц, подобно тому как обычная материя состоит из всей периодической таблицы элементов.
До экспериментального подтверждения этой идеи еще далеко, поскольку в настоящее время она является глубоко гипотетической концепцией. Прямое обнаружение хотя бы одного или нескольких видов частиц темной материи, безусловно, подкрепило бы эту идею. Кроме того, в настоящее время астрономы разрабатывают способы наблюдения гравитационных волн от Большого взрыва, что даст нам возможность непосредственно наблюдать эту важнейшую эпоху в истории Вселенной.
Между видами темной материи могут возникать всевозможные новые взаимодействия, ведущие к сложной сети физических явлений, невидимо действующих во Вселенной.
Пол М. Саттер – профессор-исследователь в области астрофизики.
Читайте также: Темная энергия может привести ко второму Большому взрыву во Вселенной