«Темний Великий вибух» може пояснити походження темної матерії

Завдяки гравітації ми принаймні знаємо, що темна матерія існує. Ми також знаємо, що її моторошно багато, вона становить близько 85 відсотків усієї матерії у Всесвіті. Однак, окрім цього, ми майже нічого не знаємо. Ми не знаємо, що таке темна матерія і звідки вона взялася, і якщо вона складається з якоїсь слабко взаємодіючої форми матерії, ми все одно не можемо безпосередньо виявити жодної її частинки.

Згідно з теоретичним дослідженням двох дослідників з Університету Колгейта в США, наша постійна нездатність викрити темну матерію — навіть за допомогою новітніх, високочутливих методів виявлення — вимагає переосмислення природи і потенційного походження цієї загадкової речовини.

Замість того, щоб з’явитися з Великого вибуху разом зі звичайною баріонною матерією, темна матерія могла виникнути трохи пізніше у власному «Темному Великому вибуху», пишуть автори дослідження. Зараз вона може населяти темний сектор, здебільшого відокремлений від нашого видимого сектора, взаємодіючи з ним виключно за допомогою гравітації.

Гравітація навчила нас тому, як мало ми досі знаємо про темну матерію. Ми називаємо цю примарну субстанцію темною матерією, бо вона не взаємодіє зі світлом чи іншим електромагнітним випромінюванням, що робить її невидимою для нас.

Проте, враховуючи її гравітаційний вплив на галактики та скупчення галактик, а також інші докази, такі як вплив на космічне фонове випромінювання, ми маємо переконливі докази того, що темна матерія існує. Ми просто досі не знаємо майже нічого про все інше, включаючи те, що це таке і звідки вона взялася.

Полювання на темну матерію здебільшого зосереджене на слабко взаємодіючих масивних частинках, або WIMPs. Ці гіпотетичні елементарні частинки взаємодіють за допомогою двох з чотирьох фундаментальних сил: гравітації та слабкої ядерної взаємодії (але не електромагнетизму чи сильної ядерної взаємодії).

Десятиліття пошуків не дали жодних підтверджень існування вімпів, що дещо зменшило їхню привабливість і витіснило науковий інтерес до інших можливих пояснень темної матерії.

«Оскільки WIMPs продовжують уникати виявлення, стає все більш важливим розглядати темні сектори, які сильно відокремлені від видимого сектору», — пишуть автори нового дослідження, фізик Космін Іліє та студент Річард Кейсі.

У 2023 році двоє інших дослідників — Кетрін Фріз і Мартін Вінклер з Техаського університету в Остіні — запропонували інтригуючу теорію: Можливо, темна матерія утворилася окремо від початкового космічного розширення під час другого Великого вибуху, який вони назвали Темним Великим вибухом.

Це кидає виклик тому, як багато вчених уявляють собі цю ключову епоху, коли вся матерія і випромінювання у Всесвіті (включно з темною матерією, чим би вона не була) походять з одного сектору фізики.

Однак, на думку Фріза і Вінклера, темний Великий вибух узгоджується з доказами існування темної матерії — за умови, що він стався швидко, приблизно протягом місяця після першого Великого вибуху.

За цим сценарієм, частинки темної матерії виникають внаслідок розпаду квантового поля, яке взаємодіє лише з темним або прихованим сектором — гіпотетичним набором частинок і сил, які виходять за межі наших нинішніх знань про фізику.

Темний Великий вибух спричинив би космологічний фазовий перехід першого порядку в темному секторі, який можна порівняти зі зміною реальності у видимому секторі після першого Великого вибуху, який перетворив енергію вакууму на гарячу плазму випромінювання і частинок.

У своєму новому дослідженні Іліє і Кейсі заглиблюються в цю ідею, вивчаючи її здійсненність і тестуючи низку різних сценаріїв темного Великого вибуху, які узгоджуються з існуючими експериментальними даними. Їхня робота допомагає зміцнити аргументацію Фріза і Вінклера, не лише підтверджуючи можливість Темного Великого Вибуху, але й всебічно оцінюючи різні варіанти розвитку такої події.

Серед своїх висновків Іліє та Кейсі розкривають раніше не досліджений набір потенційних параметрів для зародження темної матерії. Вони також пропонують варіанти подальшої перевірки цієї концепції, включаючи можливе існування слідів, які можна виявити, наприклад, гравітаційних хвиль, залишених цими сценаріями.

«Виявлення гравітаційних хвиль, породжених темним Великим вибухом, може стати вирішальним доказом нової теорії темної матерії», — каже Іліє.

І хоча темна матерія навряд чи легко видасть свої таємниці, є підстави для оптимізму, що ми розгадаємо цю космічну загадку, зазначає він.

«Завдяки сучасним експериментам, таким як International Pulsar Timing Array (IPTA) та Square Kilometer Array (SKA) на горизонті, незабаром у нас можуть з’явитися інструменти для перевірки цієї моделі безпрецедентними способами», — каже Іліє.

Наприклад, у 2023 році дослідники з науково-дослідницької колаборації NANOGrav, яка є частиною IPTA, оголосили, що знайшли докази існування гравітаційно-хвильового фону у Всесвіті. Це може допомогти перевірити концепцію темного Великого вибуху, кажуть Іліє та Кейсі, створюючи підґрунтя для подальших досліджень, які можуть нарешті пролити трохи світла на темну матерію. Дослідження було опубліковане в журналі Physical Review D.