Если темная материя кажется недостаточно загадочной, новое исследование предполагает, что она могла возникнуть еще до Большого взрыва. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Традиционное мышление гласит, что Большой взрыв был началом всего – материи, темной материи, пространства, энергии, всего этого. После самого события Вселенная прошла через период космической инфляции, в ходе которой ее размер увеличился в 10 септиллионов раз за непостижимую долю секунды.
Но некоторые теории предполагают, что этот период инфляции на самом деле произошел до того, что мы называем Большим взрывом. И теперь физики Техасского университета (UT) в Остине предположили, что темная материя образовалась в течение этого короткого окна.
Команда называет новую модель теплой инфляцией через замораживание (WIFI). По сути, частицы темной материи будут создаваться из крошечных взаимодействий между излучением и частицами в теплой «термальной ванне» в период инфляции.
«Уникальность нашей модели в том, что темная материя успешно образуется во время инфляции», — говорит Кэтрин Фриз, астрофизик-теоретик из Техасского университета в Остине. «В большинстве моделей все, что создается во время инфляции, затем «раздувается» экспоненциальным расширением Вселенной до такой степени, что по сути ничего не остается».
Считается, что до Большого взрыва вся Вселенная существовала в сингулярности, точке бесконечной плотности, где пространство-время бесконечно искривлено. Но известные законы физики там полностью нарушаются, поэтому некоторые физики предполагают, что Большому взрыву предшествовала другая эпоха, а не сингулярность.
Это может быть коллапс более ранней вселенной, как в модели Большого отскока , или это может быть космическая инфляция . Эта фаза длилась всего лишь миллионные доли секунды, и энергия перешла в материю и свет, чтобы стать тем, что мы называем Большим взрывом.
С этого момента создается основа для развития Вселенной, как это описано общей теорией относительности.
Авторы нового исследования не первые, кто предположил, что космическая инфляция предшествовала Большому взрыву. Они даже не первые, кто предположил, что темная материя возникла в эту эпоху. Новым является их механизм того, как эта странная штука производится в количествах, которые согласуются с астрономическими наблюдениями.
Теплая инфляция («WI» в новой модели WIFI) — это существующая идея, которая предполагает, что излучение возникает во время экспоненциального расширения. Это создает своего рода термальную ванну, позволяя происходить крошечным, но важным взаимодействиям.
Движущая сила космической инфляции пока неизвестна, но ее заменой является поле гипотетических частиц, называемых инфлатонами, похожих на знаменитый бозон Хиггса. В сценарии теплой инфляции это поле инфлатона потеряло бы часть своей энергии из-за излучения в термальной ванне.
Оттуда излучение производит частицы темной материи посредством процесса, называемого UV-заморозкой. По сути, темная материя никогда не достигает равновесия с ванной, и температура этой ванны остается ниже определенного порога.
По расчетам команды, этот механизм производит достаточно темной материи, чтобы объяснить то ее количество, которое, как показывают астрономические наблюдения, существует.
Конечно, это не значит, что тайна решена. Это всего лишь одна из многих гипотез, включая ту, что темная материя возникла в своем собственном «Темном Большом Взрыве» позже.
На данный момент модель WIFI не может быть напрямую проверена, но по крайней мере часть ее может быть скоро проверена. Предстоящие исследования космического микроволнового фона , такие как CMB-S4 , могут подвергнуть испытанию идею теплой инфляции.
«Если будущие наблюдения подтвердят, что теплая инфляция является правильной парадигмой, это значительно укрепит аргументы в пользу того, что темная материя образуется так, как описано в нашей концепции», — говорит физик из Техасского университета Габриэле Монтефальконе, соавтор исследования.
