12 апреля 2022

Высказана гипотеза, что "темная материя" в космосе является проявлением свойств гравитации

Новая модель очень ранней Вселенной предполагает, что гравитон, квантово-механический носитель силы гравитации, наводнил космос темной материей еще до того, как нормальная материя получила возможность зародиться.

Это предложение может стать способом связать две самые большие нерешенные загадки в современной космологии: природу темной материи и историю космической инфляции.

Многие космологи считают, что когда Вселенная была невероятно молода (то есть имела возраст менее доли секунды), она пережила период невероятно быстрого расширения, известный как инфляция. Эта инфляционная эпоха имела решающее значение для будущей эволюции Вселенной, поскольку невероятное расширение превратило микроскопические квантовые флуктуации пространства-времени в семена, которые однажды станут звездами, галактиками и скоплениями.

Само событие инфляции довольно загадочно. Например, космологи не знают, что вызвало инфляцию, что привело ее в движение, как долго она длилась и когда выключилась). Но эта общая картина - единственная, которая может объяснить закономерности, обнаруженные в космическом микроволновом фоне (картина послесвечения, сформировавшаяся, когда Вселенной было 380 000 лет) и крупномасштабное распределение материи во Вселенной. Статистика этих закономерностей совпадает с тем, что мы видим в квантовых флуктуациях, что дает космологам уверенность, необходимую для выдвижения гипотезы о существовании связи.

В конце инфляции космос стал намного больше, чем был до нее. Но он также был гораздо более пустым, поскольку все содержимое, которое ранее было во Вселенной, было просто выброшено далеко друг от друга. Оставалась только одна вещь: то, что привело в движение инфляцию в самом начале, но в конце концов выдохлось. Космологи называют эту движущую силу "инфлатоном" и считают, что это было квантовое поле, пропитавшее все пространство.

Когда инфляция закончилась, инфлатон распался, наполнив Вселенную разнообразными частицами, которые мы видим в настоящее время. Во многих отношениях инфляция была "настоящим" Большим взрывом. Если вы представляете себе пустую Вселенную, внезапно наполненную взрывом частиц, то это именно она.

Когда инфляция закончилась, это привело к созданию всех известных частиц. Поэтому, предположительно, это же событие породило и темную материю. Космологи не уверены, из чего состоит темная материя, но обилие свидетельств говорит о том, что это какой-то новый, неизвестный вид частиц. Чем бы ни была эта частица, на ее долю приходится более 80% всей материи во Вселенной.

Физики потратили десятилетия на безуспешные поиски любых намеков на прямое взаимодействие между частицами темной материи и обычной материей. Если темная материя действительно является частицей, то ей очень, очень не нравится общаться с нормальной материей. Это необнаружение темной материи весьма раздражает историю инфляции, потому что если темная материя не разговаривает с нормальной материей, то нет причин, по которым инфлатон должен создавать темную материю наряду с нормальной материей в ранней Вселенной.

Сегодня пара физиков из Хельсинкского института физики предложила новый механизм для создания большого количества темной материи в ранней Вселенной, даже если инфлатон не любит создавать темную материю. И этот новый механизм опирается исключительно на гравитацию.

Этот механизм, который физики изложили в статье в базе данных препринтов arXiv, предполагает, что инфлатон и темная материя не разговаривают друг с другом, поэтому частицы темной материи не образуются обычным способом в конце инфляции.

Вместо этого исследователи изучили поведение инфлатона непосредственно перед его распадом. В конце инфляции, перед тем как инфлатон распадется и породит зоопарк частиц нашей Вселенной, инфлатон перемещается по космосу, как мяч, который только что скатился с крутого склона, но еще не успокоился.

Космологи называют этот этап фазой предварительного нагрева распада инфлатона, и он может породить некоторые сумасшедшие физические явления. Например, на этом коротком этапе важную роль может сыграть сама гравитация, позволяющая инфлатону соединиться с частицей темной материи. В этом случае гравитация принимает форму своего предполагаемого носителя квантово-механической силы - гравитона. Обычно гравитон не участвует в реакциях частиц, но физики нашли способ его появления в фазе предварительного нагрева в конце инфляции.

Пара обнаружила, что когда гравитон появляется во взаимодействии частиц в эту эпоху, он может обеспечить каналы для распада инфлатона на частицы темной материи. Эти частицы темной материи уже присутствовали бы во Вселенной до того, как остальная нормальная материя последовала бы их примеру, когда инфлатон окончательно исчезнет.

Этот механизм работает только тогда, когда пространство делает что-то интересное, например, быстро расширяется во время инфляции. И вот, когда инфляция окончательно испортила способность Вселенной к творчеству, частицы темной материи исчезли.

Физики настроили свою модель так, чтобы создать нужное количество темной материи, которое требуется для наблюдений за космосом. Однако это все еще теоретическая работа. Самое главное, физики не совсем уверены в том, как гравитация взаимодействует с частицами. Это режим квантовой гравитации, теории сильной гравитации на малых масштабах, которая в настоящее время является священным граалем современной физики. Поэтому для своей работы соавторы статьи должны были сделать много предположений о том, как гравитация действует в таких масштабах.

Тем не менее, идея интересна, поскольку она дает возможность ранней Вселенной произвести значительное количество темной материи, и чтобы эта темная материя (по существу) никогда больше не общалась с нормальной материей.