Утворення темної матерії могло відбутися до Великого вибуху

Фізики продовжують боротися з таємницею темної матерії, невловимої речовини, яка становить приблизно 80% матерії у Всесвіті, але її неможливо виявити.  Тепер команда дослідників запропонувала інноваційну модель, яка передбачає, що темна матерія могла виникнути до Великого вибуху, під час фази інфляції, коли Всесвіт зазнав швидкого експоненціального розширення. 

Роль інфляції та утворення темної матерії

Інфляція, концепція, розроблена приблизно 45 років тому, описує короткий період у ранньому Всесвіті, коли його розмір експоненціально збільшувався приблизно в 10²⁶ разів за 10-36 секунд.  Це швидке розширення, яке, за теорією, відбулося до звичайного Великого вибуху, дає пояснення кільком космологічним загадкам, включаючи площинність і однорідність Всесвіту та походження його структури. 

Незважаючи на широке визнання серед космологів, механізм, що стимулює інфляцію, залишається невідомим. Його приписують гіпотетичному полю, яке називається інфлатоною, яке охоплює весь простір-час. Під час інфляції Всесвіт існує в стані переохолодженого розширення, коли температура різко падає. Коли інфляція закінчується, відбувається процес, званий повторним нагріванням, що відновлює температуру Всесвіту до температури перед інфляцією та ініціює виробництво стандартних частинок, включаючи фотони.

Традиційні теорії утворення темної матерії

Існуючі теорії припускають, що темна матерія виникає через взаємодію з тепловою ванною частинок, причому її кількість визначається механізмом «заморожування» або «замерзання».  У моделі заморожування темна матерія залишається в рівновазі з термальною ванною протягом найперших моментів, тоді як у моделі заморожування темна матерія ніколи не досягає рівноваги через пригнічені взаємодії.

Наприклад, при ультрафіолетовому (УФ) замерзанні температура термальної ванни завжди нижча за маси частинок, що з’єднують темну матерію зі Стандартною моделлю фізики елементарних частинок.  Цей сценарій ґрунтується на взаємодії квантових полів, коли темна матерія утворюється за певних енергетичних умов.

Новий механізм: темна матерія під час інфляції

Нова модель під назвою WIFI (Warm Inflation via ultraviolet Freeze-In) представляє альтернативну перспективу. Він припускає, що темна матерія була створена під час інфляційної фази через рідкісні взаємодії в гарячому енергетичному середовищі. На відміну від традиційних моделей, які припускають, що все, що утворюється під час інфляції, розбавляється швидким розширенням Всесвіту, модель WIFI припускає, що темна матерія, яка утворилася в цей період, могла вижити й пояснити темну матерію, яку спостерігають сьогодні.

«Унікальною для нашої моделі є те, що темна матерія успішно виробляється під час інфляції», — пояснила Кетрін Фріз, провідний автор і директор Інституту теоретичної фізики Вайнберга Техаського університету в Остіні.  «У більшості інших моделей все, що створюється під час інфляції, потім «роздувається» експоненціальним розширенням Всесвіту до точки, коли по суті нічого не залишається».

У цьому сценарії інфлатонне поле, що спричиняє інфляцію, втрачає частину своєї енергії на випромінювання, яке потім утворює частинки темної матерії через механізм заморожування.

За межами сингулярності Великого вибуху

Ця модель узгоджується з ідеєю, що інфляція передує Великому вибуху, кидаючи виклик поняттю сингулярності з нескінченною щільністю та кривизною. Натомість вважається, що Всесвіт мав невеликий, але кінцевий розмір після інфляції, приблизно 10-26 метрів у діаметрі.  Звідти почалися стандартні процеси випромінювання та виробництва частинок, що призвело до Всесвіту, яким ми його знаємо.

Майбутня перевірка та наслідки

Модель WIFI ще не підтверджена спостереженнями, але її можна перевірити протягом наступного десятиліття шляхом експериментів із вивчення космічного мікрохвильового фону (CMB).  Тепла інфляція, ключовий компонент моделі WIFI, буде в центрі уваги цих досліджень. Якщо теплу інфляцію буде підтверджено, це підвищить довіру до моделі та відкриє шляхи для розуміння інших частинок і процесів у ранньому Всесвіті.

«У нашому дослідженні ми зосередилися на виробництві темної матерії, але WIFI пропонує ширше застосування, наприклад, виробництво інших частинок, які можуть зіграти вирішальну роль в еволюції раннього Всесвіту», — сказав співавтор Бармак Шамс Ес Хагі. «Це відкриває нові можливості для дослідження в майбутніх дослідженнях».

Нова глава в дослідженні темної матерії

Хоча походження темної матерії залишається загадкою, модель WIFI пропонує захоплюючу структуру, яка пов’язує її формування з однією з найперших і найдраматичніших фаз Всесвіту.  Досліджуючи цей нетрадиційний шлях, дослідники сподіваються відкрити не лише природу темної матерії, але й нове розуміння зародження та еволюції Всесвіту.