Объяснение темной материи нашли в пузырях

Новое исследование предполагает, что надувание космических пузырей в нашей ранней Вселенной могло привести к нынешнему изобилию темной материи - неуловимой субстанции, которая притягивает звезды, но не излучает света.

Читай также: Темная материя искажает свет дальних галактик

Теория, описанная в журнале Physical Review Letters, может объяснить, как именно темная материя конденсировалась из огненного супа ранней Вселенной. С тех пор, как астроном Фриц Цвикки впервые предположил существование темной материи в 1933 году, множество наблюдательных данных показали, что что-то скрывается в тени, невидимое для наших глаз и даже новейших научных инструментов. Темная материя оставляет свой след в результате гравитационного притяжения, которое она оказывает на видимые звезды и галактики, которые наблюдают астрономы. Величина этого притяжения позволяет ученым оценить, какой процент Вселенной состоит из темной материи; По текущим оценкам, этот темный материал составляет 80% массы Вселенной.

"Несмотря на то, что мы знаем, сколько темной материи содержит наша Вселенная, уже несколько десятилетий нас заставляют задуматься о природе и происхождении темной материи", - сказал соавтор исследования Эндрю Лонг, доцент физики в Университете Райса в Хьюстоне. "Является ли темная материя совокупностью элементарных частиц? Если да, то каковы свойства этих частиц, такие как их масса и спин? Какие силы проявляют эти частицы и какие взаимодействия они испытывают? Когда была создана темная материя и какие взаимодействия сыграли важную роль в его формировании?"

Читай также: Темная материя ускользает от самого чувствительного детектора

Лонг и физики Майкл Бейкер из Университета Мельбурна в Австралии и Иоахим Копп из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце в Германии хотели ответить на последний из этих вопросов - когда и как он сформировался? Они рассмотрели самый ранний период формирования Вселенной, через долю наносекунды после начала Большого взрыва. Тогда разрушались частицы так же быстро, как и формировались, - сказал Лонг. В то время Вселенная представляла собой огненный суп из элементарных частиц чрезвычайно высоких энергий, подобных тем, которые физики кварк-глюонной плазмы создают сегодня в крупнейших ускорителях частиц. Этот первозданный суп был невообразимо горячим и плотным и 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 производство новых частиц прекратилось. В то же время частицы расходились дальше друг от друга, и частота их столкновений резко падала, пока их количество не осталось фиксированным. Оставшиеся частицы - это то, что ученые называют "тепловыми реликвиями", и они стали той материей, которую мы знаем и любим сегодня, такой как атомы, звезды и, в конечном счете, люди. В дополнение ко всем элементарным частицам, известным сегодня, есть основания для полагать, что в ранней Вселенной присутствовали другие частицы, такие как темная материя", - сказал Лонг. 

Читай также: Физики объяснили загадочный дефицит темной материи в галактиках

Ученые считают, что эти гипотетические частицы могут существовать и сегодня как тепловые реликты. В новом исследовании команда предположила, что через доли секунды после Большого взрыва плазма претерпела фазовый переход, аналогичный тому, что происходит сейчас, когда материя переходит из одного состояния в другое, например, когда пузырьки водяного пара образуются в кастрюля с кипящей водой.

В этом сценарии пузырьки охлажденной плазмы внезапно образовывались в кипящем супе ранней Вселенной. Эти пузыри расширялись и сливались, пока вся Вселенная не перешла в новую фазу. 

"По мере того, как эти капли расширяются по Вселенной, они действуют как фильтры, отсеивающие частицы темной материи из плазмы", - сказал Лонг. "Таким образом, количество темной материи, которое мы измеряем во Вселенной сегодня, является прямым результатом этой фильтрации в первые доли секунды после Большого взрыва".

Стены этих пузырей станут преградами. Только частицы темной материи с большими массами будут иметь достаточно энергии, чтобы пройти на другую сторону внутри расширяющихся пузырей. Это могло бы отфильтровать частицы темной материи меньшей массы и могло бы объяснить изобилие темной материи, наблюдаемое сегодня.

Читай также: Галактика из темной материи оказалась ошибкой астрономов

Одним из основных кандидатов на роль темной материи являются слабовзаимодействующие массивные частицы или вимпы. Эти гипотетические частицы будут весить от 10 до 100 раз больше, чем протоны, но они будут взаимодействовать с веществом только через две фундаментальные силы природы: гравитацию и ядерное слабое взаимодействие . Проходя, как призраки, через Вселенную, они могли объяснить пропажу темной материи.

Поиски вимпов побудили физиков построить огромные современные детекторы глубоко под землей. Но, несмотря на десятилетия поиска неуловимых частиц, так и не было найдено ни одной. Это побудило ученых в последние годы искать других претендентов на частицы темной материи, которые легче или тяжелее вимпов. 

По словам Лонга, если космические пузыри, представленные Лонгом и его коллегами, присутствовали в ранней Вселенной, они могли оставить заметный отпечаток 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 пузырей, и что происходит, когда пузыри сталкиваются. "Мы знаем, что существует темная материя, но больше ничего не знаем", - сказал Бейкер. "Если это новая частица, то есть хороший шанс, что мы действительно сможем обнаружить ее в лаборатории. Затем мы сможем определить ее свойства, такие как масса и взаимодействия, и узнать что-то новое и глубокое о Вселенной".

Напомним, ранее сообщалось, что эхо Большого взрыва доказало существование темной материи.

Хотите знать важные и актуальные новости раньше всех? Подписывайтесь на Bigmir)net в Facebook и Telegram.

• Теги:
• темная материя
• вселенная