Тёмная материя была создана до Большого взрыва – Как такое возможно

С одной стороны, в XXI веке мы превзошли самих себя в изучении Вселенной. Космические телескопы наблюдают за планетами, удалёнными на тысячи световых лет, и галактиками на краю Вселенной. Однако, с другой стороны, наши открытия касаются лишь 20% материи во Вселенной, 80% которой составляет тёмная материя, остающаяся за пределами нашей досягаемости. Недавно учёные разработали новую модель её формирования – выводы могут оказаться неожиданными.

Читайте: Взаимодействуют ли тёмная и обычная материя – Удивительная теория учёных

Инфляция как источник тёмной материи: взгляд в прошлое Вселенной

Из недавней научной работы, опубликованной в Physical Review Letters тремя учёными из Техаса, мы можем узнать, что тёмная материя на самом деле могла возникнуть в инфляционной фазе незадолго до Большого взрыва, в результате которого и была создана наша Вселенная.

Одно это предложение вызывает множество вопросов. Как могло что-то возникнуть до появления Вселенной, каким образом образовалась тёмная материя и как она сохранилась до наших дней. Авторы исследования предполагают, что тёмная материя возникла при взаимодействии вещества с некой тепловой ванной.

Главный вопрос, который остаётся открытым – находилась ли темная материя в химическом равновесии с окружающей средой или вышла из равновесия в течение этого бесконечно короткого времени. В научной модели, в которой говорится о замораживании в ультрафиолете, температура тепловой ванны остаётся ниже массы частиц, соединяющих темную материю с частицами, принадлежащими Стандартной модели.

Этот сценарий связан с более широкой теорией инфляции, которая описывает период экспоненциального расширения в ранние моменты существования Вселенной. Инфляция позволила решить несколько космологических загадок, как проблемы плоскостности или однородности, и объяснить происхождение космических структур как усиленных квантовых флуктуаций.

Несмотря на широкое признание, движущая сила инфляции – скалярное поле, пронизывающее пространство-время, — по-прежнему остаётся эфемерным. Во время инфляции Вселенная подвергается переохлаждённому расширению, при котором температура резко падает. После окончания инфляции процесс, называемый повторным нагревом, восстанавливает температуру, и скалярное поле распадается на частицы Стандартной модели, включая фотоны.

Учёные отмечают, тепловая ванна может достигать более высоких температур, чем фаза повторного нагрева, что имеет решающее значение для производства тёмной материи путём проникновения ультрафиолетового излучения. Однако предыдущие исследования в основном игнорировали возможность того, что тёмная материя может быть произведена во время самой инфляции без разбавления последующим расширением.

Новая модель WIFI – Тёплая инфляция путём ультрафиолетового замораживания – решает эту проблему. Она предполагает, что тёмная материя возникает в результате редких взаимодействий в горячей, энергичной среде прямо перед Большим взрывом. Этот механизм означает, что тёмная материя появилась гораздо раньше, чем при обычных сценариях.

Сейчас многие космологи считают, что инфляция предшествовала Большому взрыву, поскольку концепция начальной сингулярности с бесконечной плотностью и кривизной считается нереалистичной. Вместо этого, вероятно, после инфляции Вселенная имела конечный размер, около 10^-26 м в диаметре. Из этой начальной точки развивались стандартные процессы, как производство частиц и нуклеосинтез, чтобы со временем заполнить Вселенную.

Таким образом, модель WIFI даёт совершенно новое представление о происхождении тёмной материи, в котором роль инфляции гораздо больше, чем предполагалось ранее. Авторы исследования отмечают, что, согласно этому сценарию, тёмная материя, созданная во время инфляции, не исчезла во время расширения Вселенной. Вместо этого энергия скалярного поля была частично преобразована в излучение, которое и породило частицы тёмной материи через механизм инфляции.

Хотя модель пока остаётся недоказанной, её фундаментальные основы «тёплой инфляции» могут быть вскоре проверены во время предстоящих экспериментов с микроволновым фоновым излучением (CMB). Помимо тёмной материи, модель WIFI может объяснить образование других частиц, имеющих решающее значение для ранней эволюции Вселенной.