Перейти к содержимому 
Благодаря гравитации мы хотя бы знаем, что темная материя существует. Мы также знаем, что ее пугающе много – она составляет около 85% всей материи во Вселенной.
Однако, помимо этого, мы в полном тупике. Мы не знаем, что такое темная материя и откуда она взялась, и если она состоит из какой-то слабо взаимодействующей формы материи, мы всё еще не можем напрямую обнаружить ни одной ее частицы.
Согласно теоретическому исследованию двух ученых из Университета Колгейт в США, наша продолжающаяся неспособность найти темную материю – даже с помощью новейших, высокочувствительных методов обнаружения – требует переосмысления природы и возможного происхождения этой загадочной субстанции.
Авторы исследования предполагают, что вместо того, чтобы возникнуть из Большого взрыва вместе с обычной барионной материей, темная материя могла появиться немного позже в результате своего собственного “Темного Большого взрыва”. Возможно, сейчас она занимает темный сектор, в значительной степени отделенный от нашего видимого мира и взаимодействующий с ним исключительно посредством гравитации.
Именно гравитация рассказала нам то немногое, что мы знаем о темной материи. Мы называем эту призрачную субстанцию темной материей, потому что она не взаимодействует со светом или другим электромагнитным излучением, что делает ее невидимой для нас.
Тем не менее, учитывая ее гравитационное влияние на галактики и скопления галактик, а также другие признаки, такие как ее воздействие на реликтовое излучение, у нас есть веские доказательства существования темной материи. Но мы понятия не имеем, что она собой представляет и откуда взялась.
Поиски темной материи в основном были сосредоточены на слабо взаимодействующих массивных частицах, или ВИМПах (weakly interacting massive particles – WIMP). Эти гипотетические элементарные частицы должны проявляться посредством двух из четырех фундаментальных сил: гравитации и слабого ядерного взаимодействия (но не электромагнетизма или сильного ядерного взаимодействия).
Десятилетия поисков не принесли подтверждения существования ВИМПов, несколько уменьшив их привлекательность и сместив научный интерес в сторону других возможных объяснений природы темной материи.
«Поскольку ВИМПы мы так и не смогли обнаружить, становится все более важным присмотреться к темным секторам, отделенных от видимого сектора», — пишут авторы нового исследования, физик Космин Айли и студент Ричард Кейси.
В 2023 году двое других исследователей — Кэтрин Фриз и Мартин Винклер из Техасского университета в Остине — предложили интригующую теорию: возможно, темная материя образовалась отдельно от первоначального космического расширения во время второго большого взрыва, который они окрестили Темным Большим взрывом.
Это бросает вызов тому, как многие ученые в настоящее время представляют себе эту поворотную эпоху, когда вся материя и излучение во Вселенной (включая темную материю, чем бы она ни была) происходили из одного и того же сектора физики.
Однако, по мнению Фриз и Винклера, Темный Большой взрыв вполне согласуется с доказательствами существования темной материи — при условии, что он произошел быстро, в течение примерно месяца после первого Большого взрыва.
В этом сценарии частицы темной материи возникают в результате распада квантового поля, которое связано только с темным или скрытым сектором; гипотетическим набором частиц и сил, выходящих за рамки наших нынешних знаний физики.
Темный Большой взрыв вызвал бы космологический фазовый переход первого рода в темном секторе, сравнимый с теми радикальными изменениями, которые наш видимый сектор претерпел после первого Большого взрыва, когда энергия вакуума преобразовалась в горячую плазму излучения и частиц.
В своем исследовании Айли и Кейси углубляются в эту идею, исследуя ее жизнеспособность и проверяя ряд различных сценариев Темного Большого взрыва, которые соответствуют существующим экспериментальным данным.
Их работа помогает укрепить аргументы, представленные Фриз и Винклером, не только подтверждая возможность Темного Большого взрыва, но и всесторонне оценивая диапазон вариантов развития такого события.
Среди своих выводов Айли и Кейси выявили ранее неисследованный набор потенциальных параметров для зарождения темной материи. Они также изложили варианты дальнейшей проверки этой концепции, включая возможное существование обнаруживаемых следов, таких как гравитационные волны, оставленных этими сценариями.
«Обнаружение гравитационных волн, порожденных Тёмным Большим взрывом, может предоставить решающие доказательства в пользу этой новой теории темной материи», — говорит Айли.
И хотя темная материя вряд ли легко раскроет нам свои секреты, есть основания для оптимизма в том, что мы разгадаем эту космическую загадку, отмечает он.
«С учетом предстоящих экспериментов, таких как Международная сеть синхронизации пульсаров (IPTA) и проект «Квадратный километр» (SKA), у нас скоро могут появиться инструменты для проверки этой модели с беспрецедентной точностью», — говорит Айли.
Например, исследователи из коллаборации NANOGrav, которая является частью IPTA, объявили в 2023 году, что они нашли доказательства существования гравитационно-волнового фона во Вселенной.
Это может помочь проверить концепцию Темного Большого взрыва, говорят Айли и Кейси, подготовив почву для дальнейших исследований, которые, возможно, наконец, прольют немного света на темную материю.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review D.
Читайте также: Как темная материя и темная энергия различаются по своему влиянию на пространство-время?
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.