188
Благодаря гравитации мы знаем, что темная материя существует. Мы также знаем, что ее жутко много, она составляет около 85 процентов всей материи во Вселенной. Однако кроме этого мы почти ничего не знаем. Мы не знаем, что такое темная материя и откуда она взялась, и если она состоит из какой-то слабо взаимодействующей формы материи, мы все равно не можем напрямую обнаружить ни ее частицы.
Согласно теоретическому исследованию двух исследователей из Университета Колгейта в США, наша постоянная неспособность разоблачить темную материю – даже с помощью новейших, высокочувствительных методов обнаружения – требует переосмысления природы и потенциального происхождения этого загадочного вещества.
Вместо того чтобы появиться из Большого взрыва вместе с обычной барионной материей, темная материя могла возникнуть чуть позже в собственном «Темном Большом взрыве», пишут авторы исследования. Сейчас она может населять темный сектор, в большинстве своем отделенный от нашего видимого сектора, взаимодействуя с ним исключительно с помощью гравитации.
Гравитация научила нас тому, как мало мы все еще 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.
Однако, учитывая ее гравитационное влияние на галактики и скопления галактик, а также другие доказательства, такие как воздействие на космическое фоновое излучение, мы имеем убедительные доказательства того, что темная материя существует. Мы просто до сих пор не знаем почти ничего обо всём другом, включая то, что это такое и откуда она взялась.
Охота на темную материю в основном сосредоточена на слабо взаимодействующих массивных частицах или WIMPs. Эти гипотетические элементарные частицы взаимодействуют с помощью двух из четырех фундаментальных сил: гравитации и слабого ядерного взаимодействия (но не электромагнетизма или сильного ядерного взаимодействия).
Десятилетия поисков не дали никаких подтверждений существованию вимпов, что несколько уменьшило их привлекательность и вытеснило научный интерес к другим возможным объяснениям темной материи.
«Поскольку WIMPs продолжают избегать обнаружения, становится все более важным рассматривать темные сектора, сильно отделенные от видимого сектора», — пишут авторы нового исследования, физик Космин Илие 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 начального космического расширения во время второго Большого взрыва, который они назвали Темным Большим взрывом.
Это бросает вызов тому, как многие ученые представляют эту ключевую эпоху, когда вся материя и излучение во Вселенной (включая темную материю, чем бы она ни была) происходят из одного сектора физики.
Однако, по мнению Фриза и Винклера, темный Большой взрыв согласуется с доказательствами существования темной материи – при условии, что он произошел быстро, примерно в течение месяца после первого Большого взрыва.
По этому сценарию частицы темной материи возникают вследствие распада квантового поля, которое взаимодействует только с темным или скрытым сектором — гипотетическим набором частиц и сил, выходящих за пределы наших нынешних знаний о физике.
Темный Большой взрыв вызвал бы космологический фазовый переход первого порядка в темном секторе, сравнимый с изменением реальности в видимом секторе после первого Большого взрыва, который превратил энергию вакуума в горячую плазму излучения и частиц.
В своем новом исследовании Илие и Кейси погружаются в эту идею, изучая ее осуществимость и тестируя ряд различных сценариев темного Большого взрыва, согласующихся с существующими экспериментальными данными. Их работа помогает укрепить аргументацию Фриза и Винклера, не только подтверждая возможность Темного Большого Взрыва, но и всесторонне оценивая разные варианты развития такого события.
Среди своих выводов Илие и Кейси раскрывают ранее не исследованный набор потенциальных параметров для зарождения темной материи. Они также предлагают варианты дальнейшей проверки этой концепции, включая возможно существование следов, которые можно обнаружить, например, гравитационных волн, оставленных этими сценариями.
"Обнаружение гравитационных волн, порожденных темным Большим взрывом, может стать решающим доказательством новой теории темной материи", - говорит Илие.
И хотя темная материя вряд ли легко выдаст свои тайны, есть основания для оптимизма, что мы разгадаем эту космическую загадку, отмечает он.
"Благодаря современным экспериментам, таким как International Pulsar Timing Array (IPTA) и Square Kilometer Array (SKA) на горизонте, в скором времени у нас могут появиться инструменты для проверки этой модели беспрецедентными способами", - говорит Илие.
Например, в 2023 году исследователи из научно-исследовательской коллаборации NANOGrav, которая является частью IPTA, объявили, что нашли доказательства существования гравитационно-волнового фона во Вселенной. , которые могут наконец-то пролить немного света на темную материю. опубликовано в журнале Физический обзор D.
