Второй Большой взрыв у истоков темной материи?
Сохраняющаяся загадка, связанная с темной материей, заставила физиков предположить, что она могла образоваться в другое время, нежели обычная материя. Новая гипотеза предполагает, что после стандартной космологической модели произошел второй Большой взрыв, называемый "темным", который и послужил причиной возникновения темной материи. Хотя эта гипотеза может показаться неправдоподобной, она может объяснить, почему обнаружение темной материи остается неуловимым.
Согласно стандартной космологической модели, Вселенная пережила период инфляции вскоре после Большого взрыва. На этом переходном этапе произошло быстрое расширение пространства-времени, движимое энергией вакуума, вездесущей в космосе. Этот этап предшествовал "горячему" Большому взрыву, характеризующемуся серией энергетических превращений, которые привели к стабилизации расширения и выделению энергии вакуума в виде горячей плазмы частиц. В результате этого процесса возникли частицы обычной материи (фотоны, лептоны, кварки и т.д.), а также частицы, составляющие темную материю (например, гипотетические слабо взаимодействующие массивные частицы или WIMPs).
Однако эта модель сталкивается с трудностями при объяснении образования темной материи, и не в последнюю очередь с невозможностью ее обнаружения. Космологические явления, которые не могут быть объяснены только присутствием видимой материи, предполагают наличие еще одного значимого гравитационного источника. Галактики, быстро вращающиеся вокруг друг друга в скоплениях, а также периферийные области галактик, вращающиеся так же быстро, как и их центры, указывают на наличие больших масс невидимой материи, создающей дополнительную гравитацию, возможно, в пять раз более многочисленную, чем видимая материя.
По мнению исследователей из Техасского университета в Остине, трудности взаимодействия темной материи со слабыми ядерными силами, одной из четырех фундаментальных сил природы, могут помешать ее обнаружению. В этом контексте только гравитация могла бы связать их с обычной материей. Поскольку гравитация слаба в масштабах отдельных частиц, их обнаружение станет практически невозможным.
Эти гипотезы привели к тому, что они предложили пересмотреть стандартную космологическую модель. Они предполагают, что темная материя могла образоваться отдельно от видимой материи во время второго Большого взрыва. Это событие произошло бы через месяц после горячего Большого взрыва и оказало бы незначительное влияние на структуру галактик.
"Темный" Большой взрыв у истоков странных частиц
Альтернативный космологический сценарий нового исследования предполагает, что образование видимой и темной материи происходит совершенно по-разному. Согласно этой теории, горячий Большой взрыв породил только излучение и видимую материю, исключив темную материю. Однако если темный сектор изначально был бы холодным, то он содержал бы лишь небольшое количество энергии вакуума по сравнению с существующей плотностью излучения.
Энергия вакуума, не претерпевающая красного смещения, в дальнейшем может стать значительной, хотя она никогда не будет доминировать в плотности энергии Вселенной. При распаде этой энергии во время темного фазового перехода может образоваться большое количество темной материи и, возможно, темного излучения. Исследователи назвали эту основную фазу "темным Большим взрывом".
Они предполагают, что в результате второго Большого взрыва могли возникнуть по крайней мере три различных типа частиц темной материи, каждый из которых был более странным, чем другой. Если бы фазовый переход был внезапным, то массивные частицы образовались бы в виде расширяющихся пузырьков, переводящих систему из одного состояния в другое, подобно пузырькам кипящей воды. При столкновении эти пузыри лопаются, высвобождая свою энергию.
В сценарии темного Большого взрыва пузыри были бы настолько энергичными, что при их столкновении образовались бы гигантские частицы, масса которых примерно в 10 000 млрд. раз больше массы протона. Эти гипотетические частицы получили прозвище "даркзилла", в честь вымышленного гигантского японского монстра.
С другой стороны, если бы фазовый переход был постепенным, то темный Большой взрыв породил бы частицы меньшего размера, похожие на WIMPs. Они взаимодействовали бы с темными версиями фундаментальных сил, например с темным электромагнетизмом, порождая темные фотоны. Однако в отсутствие этих сил образовавшиеся частицы не смогли бы сбалансировать свою энергию за счет поглощения или создания темных фотонов. Чтобы компенсировать это, они превратились бы в "темные частицы-каннибалы", пожирающие друг друга в попытке сохранить равновесие.
Исследователи считают, что пузыри фазовых переходов, связанные с темным Большим взрывом, могут оставлять отчетливые отпечатки пульсаций в пространстве-времени в виде гравитационных волн. По их мнению, анализ этих волн, впервые обнаруженных в 2016 году, может подтвердить их теорию. Подробности исследования доступны в предварительной публикации на сервере .