Втори Голям взрив при възникването на тъмната материя?

Постоянната мистерия около тъмната материя кара физиците да предполагат, че тя може да се е образувала по по-различно време от обикновената материя. Новата хипотеза предполага, че втори Голям взрив, наречен „тъмен взрив“, е настъпил след стандартния космологичен модел, което е довело до появата на тъмната материя. Макар тази хипотеза да не изглежда правдоподобна, тя може да обясни защо откриването на тъмната материя остава неуловимо.

Според стандартния космологичен модел Вселената е претърпяла период на инфлация малко след Големия взрив. По време на тази преходна фаза се наблюдава бързо разширяване на пространство-времето, задвижвано от енергията на вакуума, която е повсеместно разпространена в пространството. Този етап предшества „горещия“ Голям взрив, характеризиращ се с поредица от енергийни трансформации, които водят до стабилизиране на разширяването и освобождаване на вакуумната енергия под формата на гореща плазма от частици. В резултат на този процес се образуват частици на обикновената материя (фотони, лептони, кварки и др.), както и частици, които съставляват тъмната материя (например хипотетичните слабо взаимодействащи масивни частици или WIMP).

Този модел обаче се сблъсква с трудности при обяснението на образуването на тъмната материя, не на последно място с невъзможността тя да бъде открита. Космологичните явления, които не могат да бъдат обяснени само с наличието на видима материя, предполагат наличието на друг значим гравитационен източник. Галактиките, които се въртят бързо една около друга в купове, както и периферните области на галактики, които се въртят толкова бързо, колкото и центровете им, показват наличието на големи маси невидима материя, създаваща допълнителна гравитация, може би пет пъти по-многобройна от видимата материя.

Според изследователи от Тексаския университет в Остин трудността при взаимодействието на тъмната материя със слабата ядрена сила, една от четирите фундаментални сили на природата, може да попречи на нейното откриване. В този контекст единствено гравитацията би могла да ги свърже с обикновената материя. Тъй като гравитацията е слаба в мащаба на отделните частици, тяхното откриване би станало почти невъзможно.

Тези хипотези ги накараха да предложат преразглеждане на стандартния космологичен модел. Те предполагат, че тъмната материя може да се е образувала отделно от видимата материя по време на втория Голям взрив. Това събитие би се случило един месец след горещия Голям взрив и би имало малък ефект върху структурата на галактиките.

„Тъмният“ Голям взрив в основата на странните частици

Алтернативният космологичен сценарий на новото изследване предполага, че формирането на видимата и тъмната материя става по съвсем различен начин. Според тази теория горещият Голям взрив е създал само радиация и видима материя, без тъмна материя. Ако обаче тъмният сектор първоначално е бил студен, той би съдържал само малко количество вакуумна енергия в сравнение със съществуващата плътност на радиацията.

Вакуумната енергия, която не претърпява червено преместване, би могла да стане значителна в бъдеще, въпреки че никога няма да доминира в енергийната плътност на Вселената. Когато тази енергия се разпадне по време на тъмния фазов преход, биха могли да се получат големи количества тъмна материя и евентуално тъмно излъчване. Изследователите наричат тази основна фаза „тъмен Голям взрив“.

Те предполагат, че от втория Голям взрив биха могли да възникнат поне три различни вида частици тъмна материя, всяка от които е по-странна от другата. Ако фазовият преход е бил внезапен, масивните частици биха се образували като разширяващи се мехурчета, преместващи системата от едно състояние в друго, подобно на мехурчета вряща вода. При сблъсък тези мехурчета биха се спукали, освобождавайки енергията си.

В сценария на тъмния Голям взрив мехурчетата биха били толкова енергични, че при сблъсъка си биха образували гигантски частици с маса около 10 000 милиарда пъти по-голяма от масата на протона. Тези хипотетични частици са наречени „darkzilla“, по името на измислено гигантско японско чудовище.

От друга страна, ако фазовият преход е бил постепенен, тъмният Голям взрив е щял да създаде по-малки частици, подобни на WIMP. Те биха взаимодействали с тъмните версии на фундаменталните сили, като например тъмния електромагнетизъм, произвеждайки тъмни фотони. При липсата на тези сили обаче получените частици не биха могли да балансират енергията си чрез поглъщане или създаване на тъмни фотони. За да компенсират това, те биха се превърнали в „канибалски тъмни частици“, които се поглъщат взаимно в опит да поддържат равновесие.

Изследователите смятат, че мехурчетата на фазовия преход, свързани с тъмния Голям взрив, могат да оставят отчетливи отпечатъци от пулсации в пространство-времето под формата на гравитационни вълни. Те смятат, че анализът на тези вълни, засечени за първи път през 2016 г., може да потвърди теорията им. Подробности за изследването са достъпни във вид на предварителна публикация в arXiv.

Изследователите прогнозират, че бъдещите детектори на гравитационни вълни, като Advanced LIGO, Cosmic Explorer и телескопа „Айнщайн“, ще могат да изследват още по-слаби взаимодействия на тъмна материя, доста под така наречения „неутринен минимум“, където конвенционалните детектори на тъмна материя се сблъскват с фоновия шум от астрофизични неутрино. Алтернативно, ако в бъдеще бъдат открити черни дупки с ниска маса, това би могло да даде ценна информация за природата на тъмната материя. Това се очаква да бъде направено в най-близко бъдеще.