Группа исследователей из Дартмутского колледжа (США) предложила новую гипотезу, которая может объяснить главную загадку космологии: Что такое темная материя, составляющая 85 процентов нашей Вселенной, и как она образуется? Мы никогда не могли ее увидеть, но знаем, что она существует, потому что можем наблюдать ее гравитационное воздействие на галактики. Хотя некоторые утверждают обратное.
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Physical Review Letters, темная материя могла образоваться в самые ранние моменты существования Вселенной после Большого взрыва из взаимодействия между безмассовыми частицами, которые, объединившись, внезапно потеряли энергию и приобрели значительную массу.
По словам авторов, это превращение напоминало бы физический процесс, в котором пар конденсируется в воду.
Мы предлагаем радикальную трансформацию: темная материя начиналась как почти безмассовые частицы, похожие на свет, а закончилась как холодные, тяжелые сгустки, ответственные за структуру галактик, — говорит Роберт Колдуэлл, профессор физики и астрономии в Дартмуте и ведущий автор статьи. Это противоречит общепринятой точке зрения, согласно которой темная материя — это холодная и пассивная субстанция, не связанная с энергичными релятивистскими состояниями. После большого взрыва, ознаменовавшего начало Вселенной около 13,7 миллиарда лет назад, в космосе стали доминировать чрезвычайно горячие и быстрые частицы, похожие на фотоны — элементарные частицы света. По мнению исследователей, именно в том первобытном супе большие количества этих безмассовых частиц начали объединяться в пары, притягиваясь за счет противоположной ориентации их спинов, подобно притяжению между противоположными полюсами магнита. По мере расширения и охлаждения Вселенной исследователи предполагают, что произошел дисбаланс в ориентации этих спинов, вызвавший резкое падение энергии системы — коллапс, который спровоцировал бы фазовый переход. Самая удивительная часть нашей модели — именно это внезапное падение энергии, которое действует как мост между плотной энергичной Вселенной и Вселенной, характеризующейся холодными, сгруппированными частицами, — объясняет Лян.
По словам авторов, это явление перехода напоминает то, что происходит с парами Купера в физике материалов. При очень низких температурах два электрона могут образовывать пару, которая проводит электричество без сопротивления, что является ключевым свойством сверхпроводимости. Колдуэлл и Лян считают, что эта аналогия усиливает правдоподобность их предложения: Куперовские пары демонстрируют, что существует физический механизм, способный генерировать такого рода переход, говорит Колдуэлл.
По словам авторов, чрезвычайно холодные и почти не имеющие давления частицы, из которых, по их мнению, состоит темная материя, оставили бы характерный сигнал в космическом микроволновом фоне (CMB), тепловом эхе Большого взрыва, который все еще пронизывает всю Вселенную. Эту сигнатуру можно выявить с помощью данных, уже собранных такими проектами, как обсерватория Саймонс в Чили или будущая инициатива CMB Stage 4.
Красота модели заключается в ее простоте: для ее работы не нужны сложные теоретические рамки, она основана на уже известных нам физических понятиях и временных рамках, отмечает Лян. Более того, теория предлагает последовательное объяснение загадки нынешней плотности энергии во Вселенной, которая заметно ниже, чем на ранних этапах ее развития. Современные структуры приобретают свою массу благодаря плотности холодной темной материи, но должен существовать и механизм, объясняющий падение плотности энергии до уровня, который мы наблюдаем сегодня, заключает он.
Хотя это теоретическая гипотеза, тот факт, что она основана на математических моделях, совместимых с уже имеющимися данными наблюдений, позволяет проверить ее в будущем. По словам Колдуэлла, мы предлагаем новый способ думать о темной материи и, возможно, идентифицировать ее. И самое интересное, что мы можем проверить это на практике.