Художественное представление распределения темной материи во Вселенной. Фото: NASA
Одна из самых глубоких загадок в физике, известная как напряжение Хаббла, может быть объяснена давно исчезнувшей формой темной материи.
Напряжение Хаббла относится к растущему противоречию в физике: Вселенная расширяется, но разные измерения дают разные результаты того, насколько быстро это происходит. Физики объясняют скорость расширения числом, известным как постоянная Хаббла (H0). H0 описывает своего рода двигатель, который разгоняет вещи на огромные расстояния по всей Вселенной. Согласно закону Хаббла (откуда возникла константа), чем дальше от нас что-то, тем быстрее оно движется.
Графическое представление сингулярности Вселенной
И есть два основных способа вычисления H0. Вы можете изучить звезды и галактики, которые мы можем видеть, и непосредственно измерить, насколько быстро они удаляются. Или вы можете изучить космический микроволновый фон (CMB), послесвечение Большого взрыва, которое заполняет всю Вселенную и кодирует ключевую информацию о ее расширении
Однако когда инструменты для выполнения каждого из этих измерений стали более точными, стало ясно, что измерение CMB и прямые измерения нашей локальной Вселенной дают несовместимые ответы.
Исследователи предложили различные объяснения несоответствия, от проблем с самими измерениями до возможности того, что мы живем в «пузыре» низкой плотности в пределах большей Вселенной. Теперь команда физиков предполагает, что Вселенная, возможно, фундаментально изменилась между временем после Большого взрыва и сегодняшним днем. Если бы древняя форма темной материи просто исчезла, эта потеря изменила бы массу Вселенной; и с меньшей массой было бы меньше гравитации, удерживающей Вселенную вместе, что оказало бы влияние на скорость, с которой расширяется Вселенная, что привело бы к противоречию между CMB и прямыми измерениями скорости расширения Вселенной.
Горячий компонент
«Было время, десятилетия назад, когда физики подозревали, что темная материя может быть «горячей» - проносясь по Вселенной со скоростью, близкой к скорости света», - сказал Дэн Хупер, руководитель группы теоретической астрофизики в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Батавии, Иллинойс, и соавтор новой статьи. Но к середине 1980-х годов они были убеждены, что этот невидимый материал, составляющий большую часть массы Вселенной, вероятно, медленнее и «холоднее». Физики ссылаются на наиболее широко принятую модель Вселенной как Lambda-CDM, для «холодной темной материи».
Тем не менее, идея «горячей» темной материи - формы темной материи, которая имеет место быть где-то между горячей и холодной моделями - все еще имеет некоторую поддержку в мире физики. Некоторые физики предполагают, что темная материя состоит из «стерильных нейтрино», например теоретических призрачных частиц, которые едва взаимодействуют с веществом. Эта гипотетическая темная материя будет намного теплее, чем позволяют обычные модели Lambda-CDM, но не горячая.
Диаграмма Вселенной Лямбда-CBR (от Большого Взрыва к нашей эре).
«Другая возможность заключается в том, что большая часть темной материи холодная, но, возможно, какая-то ее часть горячая. Это то, что было создано в ранней Вселенной и после тысячи или десятки тысяч лет начало разлагаться. Все уже прошло », - сказал Хупер.
Эта утраченная масса темной материи представляла бы значительную часть всей массы Вселенной, когда она существовала, приводя к другой скорости расширения, когда CMB сформировался сразу после Большого взрыва. Теперь, миллиарды лет спустя, этого уже давно нет. И все звезды и галактики, которые мы можем измерить, будут удаляться от нас со скоростями, определяемыми текущей массой Вселенной.
«Когда вы измеряете локальную постоянную Хаббла, вы действительно измеряете эту вещь: вы измеряете, как быстро все движется друг от друга, вы измеряете, как быстро расширяется пространство», - сказал Хупер. Но перевод данных CMB в скорость расширения требует использования модели, такой как Lambda-CDM. «Так что, если вы получаете разные измерения от локальных измерений и измерения CMB, возможно, эта модель не работает».
Локальные измерения - измерения области пространства, достаточно близкой к Земле, чтобы астрономы могли точно измерить скорость и расстояние отдельных объектов, - не требуют интерпретации космологических моделей, поэтому они обычно рассматриваются как более прямые и надежные.
Этапы эволюции Вселенной. Нажмите на изображение, чтобы его увеличить
Некоторые исследователи все еще предполагают, что могут быть проблемы с нашими измерениями локальной Вселенной. Но большинство попыток разрешить напряженность Хаббла так или иначе связаны с параметрами модели Lambda-CDM. Обычно они добавляют в модель что-то, что меняет то, как Вселенная расширяется или развивается. По словам Хупера, это исследование - еще один шаг на этом пути.
Темное излучение
По словам Хупера, его первоначальное предположение, которое он озвучил своим коллегам, на бумаге вообще не касалось горячей темной материи. Вместо этого он представил себе вторую потерянную форму холодной темной материи. Но когда они начали проверять эту идею, он сказал, что они обнаружили, что эта очень холодная темная материя разрушает всю структуру Вселенной. Звезды и галактики сформировались бы так, что не соответствовали тому, что мы видим сегодня во Вселенной. Они пришли к выводу, что распавшаяся, потерянная форма темной материи должна была быть горячей, если она подходила под наблюдения.
Новая статья не определяет, из каких частиц может состоять потерянная темная материя, но настоятельно рекомендует, чтобы горячая темная материя могла состоять из стерильных нейтрино - частиц, которые, как полагают и другие физики, вероятно, существуют.
Что бы это ни было, оно, должно быть, превратилось во что-то еще более экзотическое и слабо взаимодействующее, когда распалось. Материя не может просто перестать существовать; оно должно превратиться во что-то другое. Если бы это что-то еще распространялось по-разному через Вселенную или по-другому взаимодействовало с другими частицами во Вселенной, это изменило бы то, как расширялась Вселенная.
По словам Хупера, на данный момент у исследователей нет методов исследования такого скрытого излучения, поэтому идея остается спекулятивной. Статья была опубликована в базе данных arXiv 13 апреля.
