Одна из самых больших загадок современной науки — темная материя — вероятно, возникла еще до Большого взрыва. Новое исследование физиков Техасского университета в Остине предлагает модель, объясняющую образование этого странного вещества в период космической инфляции, которая могла предшествовать самому Большому взрыву.
Традиционно считается, что Большой взрыв стал началом всего: материи, темной материи, энергии и пространства-времени. После него Вселенная претерпела кратковременную космическую инфляцию, когда ее размеры увеличились в 10 септильонов раз за долю секунды. Однако некоторые теории предполагают, что эта инфляция могла происходить до Большого взрыва. Исследователи из Остина разработали модель «теплой инфляции через замораживание» (warm inflation via freeze-in, или сокращенно WIFI), которая объясняет механизм образования темной материи в этот период.
Модель предполагает, что во время инфляции в результате взаимодействий между излучением и частицами в так называемой «тепловой ванне» образовывались частицы темной материи. Как отмечает астрофизик Кэтрин Фриз, большинство моделей предполагают, что все созданное во время инфляции исчезает из-за экспоненциального расширения Вселенной. Однако WIFI демонстрирует, как частицы темной материи могли «выжить» в этих условиях.
Что было до Большого взрыва
По общепринятым представлениям, до Большого взрыва Вселенная находилась в состоянии сингулярности — точки с бесконечной плотностью и искривлением пространства-времени. В этой точке известные законы физики не действуют. Поэтому некоторые физики предполагают, что Большому взрыву предшествовала другая эпоха — то ли коллапс предыдущей Вселенной, то ли фаза космической инфляции. Именно в этой фазе энергия могла превратиться в материю и свет, положив начало знакомой нам Вселенной.
Теплая инфляция, которая лежит в основе модели WIFI, предполагает, что во время расширения Вселенной происходит выработка излучения, образующего «тепловую ванну». Эта среда позволяет осуществляться мизерным, но важным взаимодействиям, в частности образованию частиц темной материи через процесс, названный УФ-замораживанием. В этом процессе темная материя не достигает термодинамического равновесия с тепловой ванной, а ее температура остается ниже определенного критического уровня. Расчеты команды показывают, что этот механизм мог создать достаточное количество темной материи, чтобы объяснить ее объемы, зафиксированные астрономическими наблюдениями.
Ожидания на подтверждение теории
Хотя модель WIFI еще не может быть непосредственно проверена, ее элементы могут подтвердиться в ближайшее время. Например, будущие исследования космического микроволнового фона, такие как проект CMB-S4, могут предоставить доказательства в пользу теплой инфляции. Если эти наблюдения подтвердят правильность этой парадигмы, это значительно усилит аргументы в пользу того, что темная материя образовалась именно так, как описано в модели WIFI.
Эта гипотеза является одной из многих теорий, стремящихся объяснить происхождение темной материи. Другие модели предполагают, что темная материя возникла позже, например, во время «Темного Большого взрыва». Однако исследование команды из Остина предлагает уникальный механизм, который согласуется с имеющимися данными и открывает новые перспективы для понимания ранних этапов эволюции Вселенной.
Ранее мы сообщали о том, как был найден источник первого света в темном пространстве.
По материалам Science Alert
