|
Модель образования темной материи до Большого взрыва
|
|
|
|
Поскольку физики продолжают свою борьбу за поиск и объяснение происхождения темной материи, примерно 80% вещества во Вселенной, которое мы не можем видеть и до сих пор не смогли обнаружить, исследователи предложили модель, согласно которой она образовалась до Большого взрыва.
|
|
|
|
Их идея заключается в том, что темная материя могла образоваться во время бесконечно короткой инфляционной фазы, когда размер Вселенной быстро увеличивался в геометрической прогрессии. Новая модель была опубликована в журнале Physical Review Letters тремя учеными из Техаса, США.
|
|
|
|
Интригующая идея космологов заключается в том, что темная материя образовалась в результате ее взаимодействия с термальными ваннами некоторых видов, а ее изобилие вызвано "вымораживанием" или "вмерзанием". В сценарии замораживания темная материя находится в химическом равновесии с "ванной" в самые ранние моменты времени - концентрация каждой из них не меняется со временем.
|
|
|
|
На изображении, полученном при замораживании, темная материя никогда не приходит в равновесие с термальной водой. Такое подавленное взаимодействие между темной материей и термальной водой может быть вызвано взаимодействиями в квантовых теориях поля, либо инфракрасным замораживанием, либо ультрафиолетовым замораживанием.
|
|
|
|
|
|
|
При ультрафиолетовом замораживании температура термальной ванны всегда ниже, чем массы частиц, которые связывают темную материю со стандартной моделью физики элементарных частиц. (Масса и температура пропорциональны энергии и могут быть связаны с помощью фундаментальных констант).
|
|
|
|
Теория инфляции была разработана около 45 лет назад и предполагает период экспоненциально быстрого расширения в самой ранней Вселенной, когда Вселенная расширилась примерно в 1026 раз за 10-36 секунд. (После того как инфляция прекратилась, Вселенная продолжила расширяться, хотя и не в геометрической прогрессии.)
|
|
|
|
Миллиарды лет спустя темная энергия начала ускорение, которое мы наблюдаем сегодня.) Идея инфляции четко объясняет многие загадки космологии, такие как проблема плоскостности, проблема однородности и проблема монополя, а также объясняет происхождение структуры Вселенной в виде квантовых флуктуаций, которые были чрезвычайно увеличены.
|
|
|
|
Хотя космологи в основном принимают инфляцию как часть картины Большого взрыва, основанной на некоторых фактах (хотя есть и существенные разногласия), движущая сила инфляции до сих пор неизвестна.
|
|
|
|
Космологи обычно называют это инфлатоном, гипотетическим полем, охватывающим все пространство-время некоторой скалярной частицы (с нулевым спином), возможно, полем Хиггса. (Возможно, нет). Инфляция происходит так быстро, что Вселенная расширяется при переохлаждении, при этом температура падает примерно в 100 000 раз.
|
|
|
|
Эта низкая температура сохраняется на протяжении всей стадии инфляции. Когда инфляция заканчивается, температура возвращается к температуре до инфляции, этот процесс называется повторным нагревом, и поле инфлатона распадается на частицы стандартной модели, включая фотоны.
|
|
|
|
Исследования показали, что температура в ванне может достигать гораздо более высоких значений, чем температура повторного нагрева, а при замораживании в ультрафиолетовом свете количество образующейся темной материи зависит от самой высокой температуры термальной ванны.
|
|
|
|
Но современные исследования не рассматривали возможность того, что значительное количество темной материи могло образоваться во время инфляционного расширения и не раствориться.
|
|
|
|
В разработанной в статье модели WI—FI тепловое раздувание с помощью ультрафиолетового излучения приводит к замораживанию темной материи в результате небольших и редких взаимодействий с частицами в горячей энергетической среде. Он содержит новый механизм, согласно которому это образование происходит непосредственно перед Большим взрывом, во время космической инфляции, что приводит к образованию темной материи намного раньше, чем в существующих теориях, в результате замораживания.
|
|
|
|
Хотя это звучит необычно, многие космологи сейчас считают, что инфляция произошла до Большого взрыва, поскольку существование сингулярности Большого взрыва с бесконечной плотностью и бесконечной кривизной пространства-времени кажется нереалистичным.
|
|
|
|
Вместо этого Вселенная после раздувания имела бы небольшой размер, примерно 10-26 метров в диаметре, и с этого момента произошли бы стандартные этапы излучения и образования частиц, а затем начался бы нуклеосинтез для заселения Вселенной.
|
|
|
|
Теоретики предложили другой взгляд на роль инфляции в роли темной материи с помощью замораживания.
|
|
|
|
"Уникальность нашей модели заключается в том, что темная материя успешно образуется во время инфляции", - сказала Кэтрин Фриз, директор Института теоретической физики имени Вайнберга и Техасского центра космологии и физики астрочастиц при Техасском университете в Остине и ведущий автор статьи. "В большинстве [других] моделей все, что создается во время инфляции, затем "раздувается" экспоненциальным расширением Вселенной до такой степени, что, по сути, ничего не остается".
|
|
|
|
Согласно этому новому механизму, вся темная материя, которую мы наблюдаем сегодня, могла быть создана во время того краткого периода инфляции, предшествовавшего Большому взрыву. Квантовое поле, вызывающее инфляцию, инфлатон, теряет часть своей энергии в виде излучения, а это излучение, в свою очередь, производит частицы темной материи с помощью механизма замораживания. Что было до инфляции? Физики понятия не имеют.
|
|
|
|
Модель Wi-Fi пока не может быть подтверждена наблюдениями. Но ключевая часть сценария, "теплая инфляция", будет проверена в течение следующего десятилетия с помощью так называемых экспериментов с космическим микроволновым фоном. Подтверждение "теплой инфляции" стало бы важным шагом в реализации сценария создания темной материи, основанного на модели WI-Fi.
|
|
|
|
"В нашем исследовании мы сосредоточились на производстве темной материи, но WIFI предполагает более широкое применение, - сказал Бармак Шамс Эс Хаги, соавтор статьи вместе с Габриэле Монтефальконе, - например, производство других частиц, которые могли бы сыграть решающую роль в эволюции ранней Вселенной. Это открывает новые возможности для изучения в будущих исследованиях".
|
|
|
|
Источник
|
