Physical Review Letters: Темная материя появилась во время космической инфляции

Физики пытаются понять, откуда взялась темная материя — невидимое вещество, которое составляет около 80% всей Вселенной. Исследователи из Техаса предложили новую модель, согласно которой темная материя появилась еще до Большого взрыва.

Они считают, что она возникла во время очень короткой фазы инфляции, когда Вселенная начала быстро расширяться.

Ученые предполагают, что темная материя образовалась в результате взаимодействия с чем-то  вроде «тепловой ванны». Ее количество увеличивается за счет процесса, похожего на „вымораживание“, когда темная материя и „ванна“ находятся в равновесии и не изменяются со временем.

В случае с замораживанием темная материя никогда не приходит в равновесие с остальной материей. Это может быть связано с квантовыми теориями поля, инфракрасным или ультрафиолетовым замораживанием.

При ультрафиолетовом замораживании температура тепловой ванны всегда ниже массы частиц, которые связывают темную материю со Стандартной моделью физики частиц.

Теория инфляции появилась около 45 лет назад. Она предполагает, что в самом начале существования Вселенной был период, когда Вселенная расширялась очень быстро — в 1026 раз за 10-36 секунд. После этого Вселенная продолжила расширяться, но уже не так быстро.

Темная энергия начала влиять на расширение Вселенной миллиарды лет назад, и это влияние мы можем наблюдать сегодня.

Инфляционная модель помогает объяснить многие загадки космоса, например:

• почему Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях;
• как появились структуры во Вселенной;
• и другие.

Согласно этой модели, структуры Вселенной появились из-за того, что когда-то  произошли очень большие изменения в результате небольших отклонений — квантовых флуктуаций.

Хотя инфляционную модель поддерживают многие космологи, есть и те, кто с ней не согласен. Но ученые продолжают исследовать этот вопрос.

Ученые считают, что существует особое поле, которое охватывает все пространство и время. Это поле состоит из частиц, похожих на бозон Хиггса. Когда Вселенная расширялась, она была очень холодной, а инфляция происходила так быстро, что температура упала примерно в 100 000 раз.

Во время инфляции температура остается низкой. Когда инфляция заканчивается, происходит повторный нагрев, и температура возвращается к прежнему уровню. В результате инфлатонное поле распадается на частицы Стандартной модели, включая фотоны.

Исследования показали, что ванна может нагреваться гораздо сильнее, чем при повторном нагреве. И количество образующейся темной материи зависит от того, насколько сильно она нагрелась.

До сих пор ученые не рассматривали возможность, что темная материя могла образоваться во время инфляции и ее количество не уменьшилось.

В статье в издании Physical Review Letters представлена новая модель, которая объясняет появление темной материи. Согласно этой модели, темная материя образуется в результате редких взаимодействий с частицами в горячей среде. Это происходит непосредственно перед Большим взрывом, во время космической инфляции.

Многие космологи считают, что инфляция произошла до Большого взрыва. Причина в том, что идея о бесконечной плотности и кривизне пространства-времени в момент Большого взрыва кажется нереальной.

После инфляции Вселенная была бы небольшого размера — примерно 0,00000000001 миллиметра в диаметре. Затем происходили бы обычные этапы излучения и производства частиц, а потом — нуклеосинтез, чтобы заселить Вселенную.

Теоретики предложили другой взгляд на роль инфляции в роли темной материи через замораживание.

«Уникальность нашей модели заключается в том, что темная материя успешно образуется во время инфляции, — говорит Кэтрин Фриз, директор Института теоретической физики Вайнберга и Техасского центра космологии и физики астрочастиц Техасского университета в Остине и ведущий автор статьи.

В большинстве [других] моделей все, что создается во время инфляции, затем «сдувается» экспоненциальным расширением Вселенной, и в итоге не остается практически ничего.

Согласно новому предположению, вся темная материя, которую мы наблюдаем сегодня, могла появиться во время короткого периода инфляции перед Большим взрывом.

Инфляцией управляет квантовое поле, которое называется инфлатон. Оно теряет часть своей энергии и создает излучение, из которого образуются частицы темной материи. Но что было до инфляции — пока неизвестно.

Есть модель под названием WIFI. Она еще не доказана наблюдениями, но ее можно будет проверить в ближайшее десятилетие с помощью экспериментов по изучению космического микроволнового фона. Если теплая инфляция (часть модели) подтвердится, это будет важным шагом для понимания того, как темная материя появилась согласно модели WIFI.

В нашем исследовании мы сосредоточились на производстве темной материи, но WIFI предполагает более широкую применимость, — говорит Бармак Шамс Эс Хаги, соавтор статьи вместе с Габриэле Монтефальконе, — например, производство других частиц, которые могли сыграть решающую роль в эволюции ранней Вселенной. Это открывает новые возможности для будущих исследований.

Ранее возникало предположение, что темную материю генерирует Солнце.

01.12.2024