Згідно з новими дослідженнями, Всесвіт, можливо, створив темну матерію в перші кілька хвилин після Великого Вибуху. Ці частинки потім потрапили в пастку у надщільних кишенях. Деякі з цих кишень відокремилися, перетворившись на чорні діри, які потім розпалися на потік багатьох ‘видів’ частинок темної матерії, створюючи ‘періодичну таблицю темної матерії’ з невидимих елементів, припускають автори дослідження.
Image credit: NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis), and A. Mahdavi (San Francisco State University)
Фізики досі намагаються пояснити темну матерію — таємничу, невидиму форму матерії, яка складає переважну більшість маси Всесвіту. Поки космологи та астрономи виявили непрямі докази існування темної матерії, від швидкостей обертання зірок усередині галактик до найбільших структур, видимих у космосі, вони не визначили точно, що таке темна матерія.
Попередня робота припускала, що темна матерія була простою: єдиний вид надзвичайно легких частинок, які заповнювали Всесвіт і майже ніколи не взаємодіяли зі звичайною матерією. Але інтенсивні пошуки нових таких частинок не принесли успіху. Це змусило космологів задуматися, чи не можуть частинки темної матерії бути набагато рідкіснішими, але й набагато важчими. Однак, теоретичні фізики докладали всіх зусиль, щоб знайти моделі, які б забезпечили ранній Всесвіт потрібною кількістю таких важких частинок. У новому дослідженні, опублікованому в жовтні в базі даних препринтів arXiv, команда космологів знайшла спосіб генерувати масивні частинки темної матерії незабаром після Великого Вибуху. Хитрість полягала в тому, що вони розпорошили чорні діри.
У документі відзначалося, що ранній Всесвіт пережив серйозні фазові переходи, оскільки сили природи відокремлювалися одна від одної, перетворюючись з єдиної об’єднаної сили на чотири сьогоднішні фундаментальні взаємодії. При кожному переході змінювалася основна фізика. Це не настільки дивне, як здається, оскільки вчені можуть відтворити останній з цих переходів в прискорювачах елементарних частинок: при достатньо високих енергіях, відтворюючи перші кілька секунд Великого Вибуху, ми можемо спостерігати злиття електромагнітного та слабкого ядерних взаємодій в одне ціле.
- Астрофізики підтвердили механізм виникнення сонячних спалахів, запропонований 19 років тому
- Астрономи дізналися, чому на Марсі були океани з теплої води
- Вчені досліджували яскраве скупчення галактик, де народжується 250 сонць на рік
Дослідники виявили, що надважка темна матерія могла потрапити в пастку під час одного з таких фазових переходів раннього Всесвіту. Якщо перехід був хаотичним, це спровокувало б формування бульбашок, коли деякі ділянки Всесвіту перейшли на нову фізику, тоді як інші ще не здійснили змін (наприклад, кипіння води, коли газова фаза води залишається у бульбашках, оточених рідиною).
У їхній моделі найдавніша темна матерія була легкою, а темна матерія з пізніших періодів була важкою. У цьому сценарії темна матерія опиняється в пастці всередині бульбашок, де щільність різко збільшується до такої міри, що вся темна матерія колапсує і формує чорні діри. Ці чорні діри невдовзі випаровуються через випромінювання Гокінга, в результаті якого випромінювання повільно ‘витікає’ з чорних дір у вигляді теплової енергії, задовго до появи звичайної матерії.
Однак, коли чорні діри випаровуються, темна матерія повертається, оскільки чорні діри випускають нові частинки темної матерії перед тим, як вони зникають, показала модель команди. Цей механізм обмежує загальну кількість масивної темної матерії у Всесвіті, оскільки лише певна кількість може вирватися з чорних дір, перш ніж вони повністю випаруються.
Цей процес випаровування також генерує безліч видів частинок темної матерії. Хоча всі частинки темної матерії мають багато спільних характеристик (таких як майже повна невидимість), вони відрізняються за своїми масами, швидкостями та способами взаємодії зі звичайною матерією. В цій моделі темна матерія є великою колекцією різних видів частинок, подібно до того, як звичайна матерія складається з усієї періодичної таблиці елементів.
До експериментальних підтверджень цієї ідеї ще далеко, оскільки на цей час це глибоко гіпотетична концепція. Пряме виявлення одного чи декількох видів частинок темної матерії, безсумнівно, підкріпило б цю ідею. А астрономи нині розробляють способи спостереження за гравітаційними хвилями від Великого Вибуху, що дало б нам прямий спостережний доступ до цієї критичної епохи в історії Всесвіту.
Між цими видами темної матерії можуть виникати всілякі нові взаємодії, що призводять до створення складної фізичної мережі, невидимо діючої по всьому Всесвіту.