Новые исследования показывают, что темная материя может быть изготовлена из частиц, каждая из которых весит почти столько же, сколько человеческие клетки и имеют достаточную плотность, чтобы стать миниатюрной черной дырой.
В то время как темная материя, как полагают, составляет пять шестых всей материи во Вселенной, ученые до сих пор не знают, из чего сделано это странное вещество. Верная своему имени, темная материя не видна – она не излучает, отражает или даже блокирует свет. В результате, темная материя сейчас может быть изучена только благодаря ее гравитационным эффектам на обычной материи. А ее природа в настоящее время одна из самых больших тайн в науке.
Авторы нового научного исследования сказали, если темная материя состоит из таких сверхмассивных частиц, то астрономы смогли бы обнаружить их признаки в послесвечении Большого взрыва.
Предыдущие исследования темной материи в основном исключили все известные обычные материалы в качестве кандидатов на те, из которых состоит этот загадочный материал. Гравитационные эффекты, приписываемые темной материи, включают в себя орбитальные движения галактик: суммарная масса видимого вещества в галактике, такого как звезды и газовые облака, не может объяснить движения галактики, поэтому должна присутствовать дополнительная, невидимая масса. Ученые до сих пор придерживаются единого мнения, что эта недостающая масса состоит из нового вида частиц, которые очень слабо взаимодействуют с обычным веществом. Эти новые частицы будут существовать вне стандартной модели физики элементарных частиц, что является лучшим текущим описанием субатомного мира.
Некоторые модели темной материи позволяют предположить, что эта космическая субстанция состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц, или СВМЧ (weakly interacting massive particles – WIMP), которые, как считается, примерно в 100 раз больше массы протона. Об этом говорит соавтор исследования Маккуллен Сандора, космологист из университета Южной Дании. Тем не менее, несмотря на многочисленные поиски, исследователи окончательно не обнаружили никаких СВМЧ, оставляя открытой возможность того, что частицы темной материи могут состоять из какого-то существенного другого вещества.
Сейчас Сандора и его коллеги изучают верхний предел массы темной материи - то есть, они пытаются узнать, насколько массивными отдельные частицы могли бы быть, исходя из того, что знают о них ученые. В этой новой модели, известной как Планковская взаимодействующая темная материя, каждая из слабо взаимодействующих частиц весит примерно 1019 или в 10 миллиардов миллиардов раз больше, чем протон, или «примерно такая тяжелая, какой частица может быть, прежде чем она превратится в миниатюрную черную дыру», - сказал Сандора Space.com.
Частица, имеющая 1019 массы протона, весит около 1 микрограмма. Для сравнения, исследования показывают, что типичная клетка человека весит около 3,5 мкг.
Генезис идеи этих сверхмассивных частиц «начался с чувством подавленности, которое, как кажется, сопровождает все усилия по производству или обнаружению СВМЧ и пока не приносит каких-либо обнадеживающих подсказок, - сказал Сандора. – Мы все еще не можем исключить сценарий СВМЧ. Но с каждым годом появляется все больше и больше подозрений, что мы не способны заметить их. На самом деле, до сих пор не было никаких окончательных намеков, что существует любая новая физика за пределами Стандартной Модели в любых доступных энергетических масштабах, поэтому мы были вынуждены думать о конечном пределе этого сценария».
Эта иллюстрация, взятая из компьютерного моделирования, показывает рой темных сгустков материи вокруг нашей Галактики Млечный Путь.
Сандора и его коллеги считали свою догадку немного большей, чем любопытство, так как гипотетический массовый характер частиц означает, что не существует никакого способа для любого коллайдера частиц на Земле, чтобы произвести это и доказать (или опровергнуть) подобное существование.
Но теперь исследователи предположили, что, если такие частицы есть, то признаки их существования могут быть обнаружены в космическом микроволновом фоновом излучении. Это послесвечение Большого взрыва, создавшего вселенную около 13,8 млрд. лет назад.
В настоящее время преобладающим мнением в космологии является то, что в моменты после Большого взрыва, Вселенная выросла до гигантских размеров. Этот огромный скачок роста, называемый инфляцией, разгладил бы космос, объясняя, почему теперь он выглядит в основном одинаковым во всех направлениях.
Исследования показывают, что после окончания инфляции, оставшаяся энергия нагревала новорожденную вселенную во время эпохи, называемой «повторный нагрев». Сандора и его коллеги предполагают, что экстремальные температуры, образующиеся при повторном нагреве, могли произвести большое количество сверхмассивных частиц. Этого достаточно, чтобы объяснить гравитационные эффекты темной материи, происходящие в настоящее время во Вселенной.
Тем не менее, чтобы эта модель могла сработать, тепло во время повторного нагрева должно было бы быть значительно выше, чем то, что, как правило, предполагается в универсальных моделях. Более горячий повторный нагрев, в свою очередь, оставил бы подпись в реликтовом излучении, которое может обнаружить следующее поколение реликтовых экспериментов. «Все это будет происходить в течение ближайших нескольких лет. Мы надеемся, это случится в следующем десятилетии и не более того», – сказал Сандора.
Если темная материя состоит из этих сверхтяжелых частиц, такое открытие не только бы пролило свет на природу большей части материи Вселенной, но и дало бы полное представление о характере инфляции и как именно она началась и остановилась. Это те вещи, которые, по словам ученых, все еще остаются весьма неопределенными.
К примеру, если темная материя состоит из этих сверхтяжелых частиц, которые показывают, что инфляция произошла при очень высокой энергии, то это, в свою очередь, означает, что она была в состоянии производить не только колебания температуры в ранней Вселенной, но и в своем пространстве и времени в виде гравитационных волн», – сказал Сандора. «Во-вторых, это говорит о том, что энергия инфляции должна была распасться в материю чрезвычайно быстро, потому что, займи она больше времени, Вселенная охладилась до точки, в которой была бы не в состоянии производить любые Планковские взаимодействующие частицы темной материи вообще».