Протягом десятиліть переважаюча теорія стверджувала, що темна матерія — невидима субстанція, яка становить близько 85% маси Всесвіту — була «холодною» одразу після Великого вибуху. Тобто його складові частинки рухалися досить повільно, щоб злипнутися під дією гравітації, утворюючи галактики та більші космічні структури, які ми бачимо сьогодні. Нове дослідження ставить під сумнів це припущення, припускаючи, що темна матерія спочатку могла бути неймовірно гарячою, рухаючись майже зі швидкістю світла, перш ніж охолонути настільки, щоб закласти основу для формування галактик.
Зрушення в розумінні
Дослідження, очолюване вченими з Університету Міннесоти-Твін-Сіті та Університету Париж-Сакле, припускає, що темна матерія, можливо, «відокремилася» від високоенергетичної плазми раннього Всесвіту, залишаючись при цьому ультрарелятивістською — рухаючись на екстремальних швидкостях. Цей сценарій розширює діапазон можливої поведінки частинок темної матерії, потенційно відкриваючи нові експериментальні та спостережливі шляхи.
Ключ полягає в періоді перегріву після швидкого розширення Всесвіту (інфляції). Під час перегріву енергія інфляції перетворювалася на гарячу суміш частинок і випромінювання. За певних умов дослідники показують, що темна матерія, створена в цей період, могла народжуватися зі швидкістю, близькою до швидкості світла, але достатньо холодною, щоб відповідати великомасштабній структурі Всесвіту.
Чому це важливо
Модель «холодної темної матерії» довгий час займала центральне місце в нашому розумінні космології. Якщо ці нові відкриття будуть підтверджені, вони можуть змінити спосіб пошуку самої темної матерії. Поточні зусилля з виявлення ґрунтуються на різноманітних методах — зіткненнях частинок, підземних детекторах і астрофізичних спостереженнях — усі вони ґрунтуються на ідеї, що частинки темної матерії рухаються відносно повільно.
Цей нюанс також викликає глибші теоретичні питання про фундаментальні властивості темної матерії та її роль у космічній еволюції.
«Темна матерія, як відомо, загадкова», — сказав Стівен Генріх, аспірант Університету Міннесоти. «Одна з небагатьох речей, які ми знаємо про неї, це те, що вона повинна бути холодною… Наші останні результати показують, що це не так; насправді темна матерія може бути гарячою, коли народжується, але все ще має час охолонути, перш ніж почнуть формуватися галактики».
Парадокс «гарячої» темної матерії
Історично склалося так, що ідея «гарячої темної матерії» — частинок, що рухаються надто швидко, щоб ефективно формувати структури — була відкинута. Нейтрино з малою масою, колись головним кандидатом, було виключено десятиліття тому через їхню тенденцію руйнувати галактичні структури, а не створювати їх.
Однак нові дослідження показують, що якби темна матерія виникла під час фази хаотичного перегріву під час Великого вибуху, вона могла б достатньо охолонути, щоб діяти як «холодна темна матерія». Це знову відкриває можливості для раніше відхилених частинок-кандидатів.
Майбутні наслідки
Результати команди, опубліковані в Physical Review Letters, пропонують нове уявлення про найдавніші моменти Всесвіту. Якщо вони будуть підтверджені, вони зможуть розкрити глибше розуміння умов, які існували відразу після Великого вибуху, і уточнити наші пошуки невловимої субстанції, яка формує космос.
Робота дослідницької групи може дозволити вченим отримати доступ до історії Всесвіту дуже близько до Великого вибуху.
Дослідження називається Ultrarelativistic Freeze-Out: міст від WIMP до FIMP. фіз. Rev. Lett 135, 221002; doi: 10.1103/zk9k-nbpj
