|
Как образовалась темная материя
|
|
|
|
Исследование, проведенное учеными из Дартмута, выдвигает новую теорию о происхождении темной материи - таинственной и невидимой субстанции, которая, как считается, придает Вселенной ее форму и структуру. Они говорят, что гипотетическая сила, формирующая Вселенную, возникла из частиц, которые быстро конденсировались, подобно пару, превращающемуся в воду.
|
|
|
|
Исследователи сообщают в журнале Physical Review Letters, что, согласно их математическим моделям, темная материя могла образоваться на заре существования Вселенной в результате столкновения безмассовых частиц с высокой энергией, которые потеряли свою плотность и приобрели невероятную массу сразу после объединения в пары.
|
|
|
|
Гипотетическое существование темной материи основано на наблюдаемых гравитационных эффектах, которые невозможно объяснить с помощью видимой материи. По оценкам ученых, 85% общей массы Вселенной составляет темная материя.
|
|
|
|
Но авторы исследования пишут, что их теория отличается от других тем, что ее можно проверить, используя существующие данные наблюдений. Частицы с чрезвычайно низкой энергией, из которых, как они предполагают, состоит темная материя, должны были бы иметь уникальную сигнатуру на космическом микроволновом фоне, или CMB, оставшемся излучении от Большого взрыва, которое заполняет всю Вселенную.
|
|
|
|
|
|
|
"Темная материя начала свою жизнь как почти безмассовые релятивистские частицы, почти как свет", - говорит Роберт Колдуэлл, профессор физики и астрономии и старший автор статьи.
|
|
|
|
"Это полностью противоречит тому, что считается темной материей — это холодные сгустки, которые придают галактикам массу", - говорит Колдуэлл. "Наша теория пытается объяснить, как она превратилась из легкой в сгустки".
|
|
|
|
Горячие, быстро движущиеся частицы доминировали в космосе после выброса энергии, известного как Большой взрыв, который, по мнению ученых, вызвал расширение Вселенной 13,7 миллиардов лет назад. Эти частицы были похожи на фотоны, безмассовые частицы, которые являются основной энергией, или квантами, света.
|
|
|
|
По словам Колдуэлла и Гуанмин Ляна, первого автора исследования и выпускника Дартмутского университета, именно в этом хаосе чрезвычайно большое количество этих частиц связалось друг с другом.
|
|
|
|
Они предполагают, что эти безмассовые частицы были притянуты друг к другу противоположными направлениями их вращения, подобно притяжению между северным и южным полюсами магнитов.
|
|
|
|
По словам Колдуэлла и Ляна, когда частицы остыли, дисбаланс в их вращении привел к резкому падению их энергии, подобно тому, как пар быстро превращается в воду. В результате появились холодные, тяжелые частицы, которые, по мнению ученых, и составляют темную материю.
|
|
|
|
"Самой неожиданной частью нашей математической модели был энергетический спад, который соединяет энергию высокой плотности и комковатую энергию низкой плотности", - говорит Лян.
|
|
|
|
"На этом этапе эти пары как будто готовились превратиться в темную материю", - говорит Колдуэлл. "Этот фазовый переход помогает объяснить обилие темной материи, которое мы можем обнаружить сегодня. Она возникла из скопления частиц с высокой плотностью и чрезвычайно высокой энергией, которым была ранняя Вселенная".
|
|
|
|
В исследовании представлена теоретическая частица, которая могла бы инициировать переход к темной материи. Но ученым уже известно, что субатомные частицы, известные как электроны, могут претерпевать аналогичный переход, говорят Колдуэлл и Лян.
|
|
|
|
При низких температурах два электрона могут образовывать так называемые куперовские пары, которые могут проводить электричество без сопротивления и являются активным механизмом в некоторых сверхпроводниках. Колдуэлл и Лян приводят существование куперовских пар в качестве доказательства того, что безмассовые частицы в их теории были способны конденсироваться в темную материю.
|
|
|
|
"Мы обратились к сверхпроводимости, чтобы понять, может ли определенное взаимодействие привести к столь внезапному падению энергии", - говорит Колдуэлл. "Куперовские пары доказывают, что этот механизм существует".
|
|
|
|
По словам Ляна, превращение этих частиц из космического эквивалента двойного эспрессо в овсянку дневной выдержки объясняет огромный дефицит плотности энергии в нынешней Вселенной по сравнению с ее ранними днями существования. Ученые знают, что со времени Большого взрыва плотность уменьшилась, поскольку энергия Вселенной расширяется наружу. Но теория Ляна и Колдуэлла также объясняет увеличение плотности массы.
|
|
|
|
"Структуры получают свою массу за счет плотности холодной темной материи, но должен быть и механизм, при котором плотность энергии падает до уровня, близкого к тому, который мы наблюдаем сегодня", - говорит Лян.
|
|
|
|
"Математическая модель нашей теории действительно прекрасна, потому что она довольно упрощена — вам не нужно встраивать в систему множество элементов, чтобы она работала", - говорит он. "Она основана на концепциях и временных рамках, о существовании которых мы знаем".
|
|
|
|
Их теория предполагает, что пары частиц перешли в холодное, почти невесомое состояние по мере того, как они становились медленнее и тяжелее. Эта характеристика выделяла бы их на фоне реликтового излучения. Реликтовое излучение изучалось в рамках нескольких крупномасштабных наблюдательных проектов и в настоящее время находится в центре внимания обсерватории Саймонса в Чили и других экспериментов, таких как CMB Stage 4.
|
|
|
|
Исследователи говорят, что существующие и будущие данные из этих проектов могут быть использованы для проверки теории Колдуэлла и Ляна.
|
|
|
|
"Это захватывающе", - говорит Колдуэлл. "Мы представляем новый подход к изучению и, возможно, идентификации темной материи".
|
|
|
|
Источник
|
