Космические пузыри могли создать темную материю, — ученые

Фото: Shutterstock

Теория в журнале "Physical Review Letters" может точно объяснить, как темная материя конденсировалась из "огненного супа" ранней Вселенной, пишет Live Science.

С тех пор как астроном Фриц Цвикки впервые предположил существование темной материи в 1933 году, множество наблюдений показали, что что-то скрывается в тени, невидимое не только для глаз человека, но и для новейших научных приборов. 

Темная материя оставляет свой след в результате гравитационного притяжения, которое она оказывает на видимые звезды и галактики. Величина этого притяжения позволяет ученым оценить, какой процент Вселенной состоит из темной материи. Современные оценки предполагают, что она составляет 80%.

"Несмотря на то, что мы знаем, сколько в нашей Вселенной содержится темной материи, вот уже несколько десятилетий мы все так же пытаемся понять ее природу и происхождение", — сказал соавтор исследования Эндрю Лонг, доцент физики в Университете Райса в Хьюстоне. 

Темная материя — это совокупность элементарных частиц? Если да, то каковы свойства этих частиц, таких как их масса и вращение? Какие силы действуют на эти частицы и какие взаимодействия они испытывают? Когда была создана темная материя и что сыграло важную роль в ее формировании?

Лонг, физики Майкл Бейкер и Иоахим Копп хотели ответить на последний из этих вопросов. Они рассмотрели самый ранний период формирования Вселенной, долю наносекунды после начала Большого взрыва "Дикий Запад" — создания и разрушения частиц, где они сталкивались и уничтожали друг друга так же быстро, как и формировались. 

В то время Вселенная представляла собой "огненный суп" из элементарных частиц чрезвычайно высоких энергий, подобный кварк-глюонной плазме, которую физики сегодня создают в самых больших ускорителях частиц. 

Этот первобытный "суп" был невообразимо горячим и плотным, а также слишком хаотичным для образования более упорядоченных субатомных частиц, таких как протоны и нейтроны. Но эта космическая перестрелка длилась недолго. После того как Вселенная начала расширяться, плазма постепенно остыла и выработка новых частиц прекратилась. В то же время частицы расходились друг от друга все дальше и дальше, а скорость их столкновений резко падала до тех пор, пока их количество не осталось неизменным.

Оставшиеся частицы — это то, что ученые называют "тепловыми реликтами". Они стали той материей, которую мы сегодня знаем в виде атомов, звезд и нас самих. 

"В дополнение ко всем элементарным частицам, известным сегодня, есть основания полагать, что в ранней Вселенной присутствовали и другие, такие как темная материя", — отметил Лонг. 

Ученые полагают, что эти гипотетические частицы могут существовать и сегодня в виде тепловых реликтов. 

В новом исследовании команда предположила, что через доли секунды после Большого взрыва плазма претерпела фазовый переход, аналогичный тому, который происходит сейчас, когда материя переходит из одного состояния в другое. Как, к примеру, пузырьки водяного пара образуются в кастрюле с кипящей водой или когда остывает пар, образуя капли воды.

В этом случае пузырьки охлажденной плазмы внезапно образовались в кипящем супе ранней Вселенной. Они расширялись и сливались, пока вся Вселенная не перешла в новую фазу.

"Когда эти капли расширялись по Вселенной, они действовали как фильтры, отсеивающие частицы темной материи из плазмы. Таким образом, количество темной материи, которое мы измеряем сегодня, является прямым результатом этой фильтрации в первые доли секунды после Большого взрыва", — добавил Лонг. 

Стенки этих пузырей могут стать барьерами. Только частицы темной материи с большими массами будут иметь достаточно энергии, чтобы пройти на другую сторону внутри расширяющихся пузырьков и избежать "Дикий Запад", который уничтожал более легкие частицы. 

Это позволило бы отфильтровать частицы темной материи с меньшей массой и объяснить наблюдаемое ее сегодня обилие. 

Поиски продолжаются 

Одним из основных претендентов на роль темной материи являются слабовзаимодействующие массивные частицы или вимпы. Эти гипотетические частицы весят в 10-100 раз больше протонов, но они будут взаимодействовать с веществом только через две фундаментальные силы природы: гравитацию и слабое ядерное взаимодействие. 

Проходя через Вселенную, они могли бы объяснить отсутствие темной материи, которую астрономы, такие как Цвикки, впервые заметили почти столетие назад. Поиски вимпов побудили физиков глубоко под землей построить огромные современные детекторы. 

Однако, несмотря на десятилетия поисков неуловимых частиц, ни одна из них не была найдена, что заставило ученых в последние годы искать других претендентов, которые либо легче, либо тяжелее вимпов. 

"Один захватывающий аспект идеи нашего исследования заключается в том, что он работает с частицами темной материи, которые намного тяжелее большинства других кандидатов, таких как вимпы, на которых в прошлом было сосредоточено большинство экспериментальных исследований. Таким образом, наша работа мотивирует расширение поисков темной материи в сторону более тяжелых масс", — сказал соавтор исследования Копп. 

Их работа также может открыть поиск темной материи для других будущих проектов, например, для Лазерной интерферометрической космической антенны (LISA) — плеяда космических зондов, охватывающих миллионы миль, предназначенных для обнаружения ряби гравитационных волн в космосе. 

Если космические пузырьки, представленные Лонгом и его коллегами, присутствовали в ранней Вселенной, они могли оставить заметный след через гравитационные волны. 

Возможно, некоторая часть энергии, создаваемой столкновением двух стенок пузыря, создаст гравитационные волны, которые будут обнаружены в будущих экспериментах. 

Команда планирует расширить свои исследования, чтобы лучше понять, что происходит, когда темная материя взаимодействует с этими стенками пузырьков, и что происходит, когда они сталкиваются. 

"Все, что мы знаем — это то, что темная материя существует. Если это новая частица, то есть большая вероятность, что мы действительно сможем обнаружить ее в лаборатории. В таком случае мы могли бы точно определить определить ее свойства, такие как масса и взаимодействие, и узнать что-то новое и о Вселенной", — заключил Бейкер. 

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform