Новое исследование международной группы учёных ставит под сомнение фундаментальное предположение современной космологии о природе тёмной материи. Согласно работе, опубликованной в престижном журнале Physical Review Letters, эта загадочная субстанция, составляющая большую часть материи во Вселенной, могла изначально быть "невероятно горячей", то есть двигаться почти со скоростью света, а не "холодной" и медленной, как считалось на протяжении последних 40 лет.
Долгое время доминировала теория "холодной" тёмной материи, которая необходима для объяснения формирования галактик. Быстро движущиеся частицы, такие как нейтрино (классический пример "горячей" тёмной материи), отвергались, поскольку их высокая скорость "размазала" бы вещество в ранней Вселенной, не дав сформироваться крупным структурам. Однако теперь круг возможных кандидатов существенно расширяется — помимо нейтрино, в нём рассматриваются стерильные нейтрино, а также лёгкие гипотетические частицы, такие как аксионы или гравитино в некоторых моделях суперсимметрии.
Ключ к новому пониманию лежит в пересмотре процессов, происходивших в экстремально ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва. Исследователи сосредоточились на фазе "повторного нагрева", которая следует за периодом космической инфляции. Инфляция — это гипотетический период чрезвычайно быстрого экспоненциального расширения Вселенной в первые доли секунды после её рождения. Когда инфляция заканчивается, энергия инфляционного поля распадается и "перегревает" Вселенную, заполняя её частицами и излучением. Именно на этом переходе, знаменующем начало классической горячей эпохи, и сосредоточились авторы работы.
Их моделирование показывает, что частицы тёмной материи могли отделиться от обычной материи, будучи ещё ультрарелятивистскими ("красными от жара"), но затем, по мере расширения Вселенной, у них было достаточно времени, чтобы замедлиться и "остыть" как раз к моменту начала формирования галактик.
"Тёмная материя печально известна своей загадочностью. Одна из немногих вещей, которые мы о ней знаем, — это то, что она должна быть холодной. В результате, последние четыре десятилетия большинство исследователей полагали, что тёмная материя должна быть холодной с момента своего рождения в первичной Вселенной. Наши недавние результаты показывают, что это не так", — пояснил Стивен Хенрих, ведущий автор исследования.
Открытие меняет подход к её поиску. Теперь учёные планируют исследовать, как можно обнаружить такие изначально "горячие" частицы с помощью ускорителей, экспериментов по рассеянию или астрономических наблюдений. Как отметил соавтор работы Ян Мамбрени, это также даёт новый инструмент для изучения самой ранней истории Вселенной, периода, невероятно близкого к моменту её рождения, включая детали процессов инфляции и последующего повторного нагрева.
Источник: New research challenges the cold dark matter assumption