Согласно их математическим моделям, темная материя могла возникнуть в ранней Вселенной из столкновений сверхэнергичных частиц, которые изначально не имели массы, но после взаимодействия внезапно «замедлились» и обрели огромную массу.

Темную материю пока не обнаружили напрямую, но ученые уверены в ее существовании — без нее не объяснить гравитационные эффекты, которые создают галактики. По расчетам, на нее приходится 85% массы Вселенной.

Главное отличие новой теории в том, что ее можно проверить с помощью уже существующих данных. Если она верна, следы темной материи должны быть видны в реликтовом излучении — «эхе» Большого взрыва, которое пронизывает космос.

Результаты опубликованы в издании Physical Review Letters.

Темная материя начинала как почти безмассовые частицы, почти как свет, — говорит Роберт Колдуэлл, профессор физики и астрономии, соавтор исследования. — Это полностью противоречит привычным представлениям, где темная материя — это холодные сгустки, дающие галактикам массу. Наша теория объясняет, как она из легкой превратилась в тяжелую.

Сразу после Большого взрыва 13,7 млрд лет назад Вселенную заполняли раскаленные, стремительные частицы, похожие на фотоны — кванты света. Колдуэлл и его коллега Гуаньмин Лян предполагают, что в этом хаосе огромное количество таких частиц объединилось в пары.

Ученые считают, что частицы притягивались друг к другу из-за разной направленности спина — как магниты разными полюсами. По мере остывания Вселенной спин частиц нарушил баланс, и их энергия резко упала — словно пар внезапно превратился в воду. В результате образовались холодные, тяжелые частицы, которые, возможно, и есть темная материя.

Самое неожиданное в наших расчетах — этот резкий обвал энергии, который связывает высокоэнергетическое состояние с холодным и плотным, — говорит Лян.

Это как если бы частицы готовились стать темной материей, — добавляет Колдуэлл. — Такой фазовый переход объясняет, почему сегодня мы видим так много темной материи. Она возникла из сверхплотного сгустка энергии ранней Вселенной.

Исследователи вводят гипотетическую частицу, которая могла запустить этот переход. Но аналогичный процесс уже известен в физике — при низких температурах электроны образуют «пары Купера», которые движутся без сопротивления и лежат в основе сверхпроводимости. Колдуэлл и Лян считают, что нечто похожее могло произойти и с частицами темной материи.

Мы смотрели на сверхпроводимость как на подсказку: может ли взаимодействие частиц вызвать такой резкий спад энергии? Пары Купера доказывают, что такой механизм возможен, — говорит Колдуэлл.

Лян сравнивает превращение частиц с остыванием двойного эспрессо до вчерашней овсянки — это объясняет, почему плотность энергии во Вселенной сейчас так сильно ниже, чем в первые мгновения после Большого взрыва. Но их теория также учитывает, почему при этом растет плотность массы.

Галактики получают массу из-за плотности холодной темной материи, но должен быть и механизм, который снижает энергетическую плотность до сегодняшнего уровня, — поясняет Лян.

Их модель проста и элегантна — она не требует сложных допущений и опирается на известные физические законы. Если теория верна, частицы темной материи, замедляясь и тяжелея, перешли в холодное состояние почти без давления. Это оставило бы уникальный след в реликтовом излучении, который можно искать в данных обсерваторий вроде Simons Observatory в Чили или проекта CMB Stage 4.

Это захватывающе, — говорит Колдуэлл. — Мы предлагаем новый способ думать о темной материи и, возможно, найти ее.

Эта теория — не просто красивая математика. Если ее подтвердят, она:

• Объяснит природу темной материи без введения экзотических частиц вроде вимпов (WIMPs), которые так и не нашли.
• Свяжет квантовую физику и космологию, показав, как сверхпроводимость и фазовые переходы могли повлиять на эволюцию Вселенной.
• Даст новые ориентиры для экспериментов — ученые теперь знают, какие именно «отпечатки» искать в реликтовом излучении.
• Упростит модели Вселенной, поскольку теория не требует сложных дополнений к Стандартной модели физики.

Главная слабость теории — ее гипотетичность. Пока нет прямых доказательств, что частицы темной материи действительно образовывали пары, как электроны в сверхпроводниках. Кроме того, реликтовое излучение уже изучено довольно детально, и если сигнал от темной материи там есть, он должен быть крайне слабым.

Ранее ученые обвинили темную материю в вымирании динозавров.