Новая теория предполагает, что темная материя могла образоваться еще до Большого взрыва, в результате взаимодействия частиц во время очень короткого периода горячего, энергичного расширения, известного как «горячая инфляция». Результаты новой теоретической модели согласуются с количеством темной материи, наблюдаемой в современной Вселенной. Исследователи утверждают, что вскоре можно будет проверить хотя бы часть теории с помощью будущих наблюдений за космическим микроволновым фоном.
Согласно стандартной теории космологии, само существование Вселенной началось с Большого взрыва, который породил обычную материю, темную материю и энергию. За этим космическим взрывом последовал короткий и внезапный период инфляции, в течение которого размер Вселенной был умножен на 10 септиллиардов, всего лишь примерно через 10-33 секунды после Большого взрыва.
Однако все большее число космологов сходятся во мнении, что инфляция произошла до Большого взрыва. Эта точка зрения основана на переосмыслении традиционных моделей, в которых инфляция рассматривается как явление, не зависящее от сингулярности Большого взрыва. Согласно этой гипотезе, в начале существования Вселенной материя и энергия были настолько плотными, что невозможно описать их начальное состояние. За этим должен был последовать чрезвычайно короткий период быстрого расширения.
Ученые не знают, что именно могло спровоцировать эту инфляцию, но возможно, что энергия, необходимая для этого процесса, была просто частью структуры пространства-времени. Одна из теорий предполагает, что энергия, которая подпитывала инфляцию до Большого взрыва, могла возникнуть в результате распада предыдущей Вселенной.
Когда эта инфляция прекратилась, энергия, которая ее подпитывала, перешла бы в материю и свет, что привело бы к Большому взрыву. Через секунду Вселенная превратилась бы в первобытный суп из света и чрезвычайно горячих частиц (при температуре около 10 миллиардов градусов Цельсия). В последующие минуты протоны и нейтроны столкнулись бы, чтобы произвести первые элементы (в основном водород, гелий и следы лития и бериллия) в период, известный как нуклеосинтез.
Группа недавних гипотез предполагает, что темная материя была создана до Большого взрыва во время этого короткого периода инфляции.
«В большинстве моделей все, что создается во время инфляции, затем «раздувается» в результате экспоненциального расширения Вселенной до такой степени, что практически ничего не остается», — объясняет Кэтрин Фриз, ведущий автор нового исследования, в блоге Техасского университета в Остине, - «Уникальность нашей модели заключается в том, что темная материя успешно образуется во время инфляции», — утверждает она.
Выход темной материи согласуется с современными наблюдениями Согласно новой теории, известной как «горячая инфляция через замораживание» (WIFI), во время космической инфляции перед Большим взрывом возникает горячее, энергичное излучение (отсюда и название «горячая инфляция»), создающее своего рода тепловую ванну, которая позволяет частицам взаимодействовать друг с другом. Ранее предполагалось, что инфляция вызывается гипотетическими частицами, называемыми «инфлатонами». В сценарии горячей инфляции инфлатоны теряют часть своей энергии в виде излучения, которое, в свою очередь, порождает частицы темной материи в результате процесса, называемого «ультрафиолетовым замораживанием». Это означало бы, что взаимодействие между частицами, присутствующими в горячей среде, постепенно привело бы к образованию темной материи.
По мнению исследователей, этот процесс позволил бы получать все большее количество темной материи, достигая астрономического количества, наблюдаемого в настоящее время во Вселенной.
«В нашем исследовании мы сосредоточились на производстве темной материи, но WIFI предполагает более широкую применимость, например, производство других частиц, которые могли сыграть решающую роль в эволюции ранней Вселенной», — предполагает Бармак Шамс Эс Хаги, соавтор исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters. «Это открывает новые возможности для будущих исследований», — добавляет он.
Хотя в настоящее время не существует методики экспериментальной проверки этой теории, исследователи утверждают, что вскоре можно будет проверить горячую инфляцию в рамках будущих исследований космического микроволнового фона и других крупномасштабных структур.
«Если будущие наблюдения подтвердят гипотезу горячей инфляции, это поддержит идею о том, что темная материя была произведена так, как предлагает эта модель», — заключает Габриэле Монтефальконе, также соавтор исследования.