Во Вселенной было два Больших взрыва: Выдвинута новая гипотеза происхождения тёмной материи

Извечная загадка темной материи заставила некоторых физиков предположить, что она была создана в особый момент космического творения, что потенциально меняет наше представление о процессах, протекающих в ранней Вселенной. Об этом пишет журналист-астроном Стюарт Кларк. Его последняя книга - " Под покровом ночи: как звезды повлияли на историю человечества".

Во Вселенной могло произойти два Больших взрыва: Ученые выдвинули новую гипотезу происхождения темной материи

Поставьте чайник на плиту. Сядьте и внимательно наблюдайте за тем, как пузырьки водного пара растут, сталкиваются и лопаются. Вы только что провели эксперимент, имитирующий большой взрыв - то есть само зарождение Вселенной, - и, возможно, даже разгадали загадку того, откуда в космосе появилась темная материя.

Ну, что-то вроде того. Потому что, размышляя о столкновении пузырей в космологических масштабах, физики нашли предпосылки для рассуждений о "свежих искрах" космического творения. В результате сформировались невероятные по размерам теневые частицы, в триллионы раз, превосходящие по массе те, из которых состоит обычная материя, и, возможно, они в итоге образовали ту загадочную, невидимую субстанцию, которая, предположительно, удерживает галактики вместе и диктует их расположение.

Как бы нелепо это ни звучало, но концепция "темного" Большого взрыва в целом соответствует тихой революции в научных кругах, которая уже идет полным ходом. Космологи переписывают стандартную концепцию Большого взрыва, пытаясь учесть множество различных "фазовых переходов", каждый из которых оставил свой след в космосе. Более того, теперь у исследователей есть инструменты, с помощью которых можно проверить эту гипотезу, заглянув в самые ранние моменты существования Вселенной и изучить слабые пульсации, вызванные столь грандиозными первозданными процессами.

Если ученые обнаружат среди них доказательства Темного Взрыва, это не только изменит наше представление о ранней Вселенной, но и предоставит новые подсказки о природе темной материи и о том, как мы сможем наконец распознать ее сущность.

Эксперты считают, что темная материя существует, и именно ее существование помогает объяснить некоторые астрономические загадки. Скопления галактик (или галактические кластеры) вращаются друг вокруг друга быстрее, чем должны, что говорит о наличии еще одного источника гравитации во Вселенной.

На расстоянии 13,2 млрд световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной

Точно так же отдельные галактики формируются преждевременно, при этом их периферийные области вращаются слишком быстро. Эти наблюдения говорят о существовании гигантских гало из невидимой материи, чья дополнительная гравитация притягивает галактики и галактические кластеры друг к другу. Но несмотря на то, что, по темной субстанции во Вселенной, по оценкам специалистов, примерно в пять раз больше, чем обычной материи, ученым так и не удалось идентифицировать частицы, из которых она состоит.

Вот уже более 40 лет астрофизики строят для этой цели сложные детекторы. Что бы ни представляли собой частицы темной материи, Земля по мере своего движения через Млечный Путь должна перехватывать хотя бы малую их часть. Большинство таких экспериментов было направлено на поиск слабо взаимодействующих массивных частиц, сокращенно WIMP.

Помимо гравитационного взаимодействия, эти гипотетические частицы будут испытывать на себе действие слабых ядерных сил, одной из четырех фундаментальных сил природы. А значит, Вимпы, если они существуют, должны взаимодействовать с атомными ядрами. Поэтому физики пристально наблюдают за большими резервуарами с густой жидкостью (например, сжиженным ксеноном), надеясь уловить вспышку столкновения частицы темной материи с ядром в одном из них. Впрочем, несмотря на все более креативные эксперименты и расширения поиска новых потенциальных видов темной материи, нам так и не удалось ее обнаружить.

“Наши безуспешные попытки найти эти частицы могут указать на полезную, хотя и малоприятную правду о природе темной материи”, - говорит Кэтрин Фриз из Техасского университета в Остине, - “Возможно, она вообще не реагирует на слабые силы, и в этом случае единственной связью с нормальной материей остается только гравитация“.  Ученые назвали это "кошмарным сценарием", поскольку гравитация настолько слаба в масштабах отдельных частиц, что ее обнаружение становится практически невозможным. 

Столкновение пузырьков при моделировании резкого фазового перехода. Дэвид Дж. Вейр

Однако, пишет Фриз, это лишний повод задуматься: если мы не можем найти темную материю, то, возможно, настало время пересмотреть наши идеи о том, как она была создана, в надежде, что это позволит по-новому взглянуть на то, как темная материя проявляет себя сегодня. "Люди почему-то всегда считали, что все было создано одномоментно в результате одного большого взрыва, но кто его знает, что там было на самом деле?" - рассуждает она.

В феврале Фриз и ее коллега Мартин Винклер выдвинули новую гипотезу о том, что через несколько недель после первого "классического" Большого взрыва произошел второй Большой взрыв. Они назвали этот взрыв "темным" Большим взрывом на том основании, что он мог породить темную материю в процессе, отличном от того, который создал известные нам частицы и силы. Это может показаться несколько абсурдным, но есть все основания полагать, что мы неправильно понимаем, что происходило в самой ранней Вселенной, в том числе и то, что мы вообще понимаем под Большим взрывом.

Что же такое "Большой взрыв"?

Противник теории Большого взрыва Фред Хойл ввел этот термин в 1949 году, по-видимому, чтобы высмеять идею о том, что вся материя и энергия возникли в одно мгновение. По мнению сторонников этой идеи, бесконечно горячая и плотная точка постепенно расширилась и превратилась в огромную и многогранную Вселенную, которую мы видим вокруг себя сегодня.

Как бы невероятно это ни казалось Хойлу, но в 60-х годах прошлого века физики нашли убедительные доказательства Большого взрыва. Они обнаружили, если так можно выразиться, “целое море” излучения, получившее название "космический микроволновый фон" (CMB), и объяснить его существование можно только расширением и охлаждением Вселенной.

И все же вскоре с моделью большого взрыва возникли проблемы. Оказалось, что температура реликтового излучения (CMB) удивительно равномерна по всему небу. Подобно холодной воде, которая циркулирует в горячей ванне, фотоны - фундаментальные частицы, переносчики электромагнитного воздействия, - выравнивают температуру CMB по всему космосу. Однако с момента Большого взрыва прошло не так много времени, чтобы области на противоположных концах Вселенной уравнялись.

Моделирование показало, что пролетающая мимо звезда может выбросить Землю из Солнечной системы

В попытке решить эту загадку физики разработали новую модель экстремального расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва, так называемую космическую инфляцию, что объясняло сглаживание температурных колебаний.

Космическая инфляция — это фазовый переход, подобный энергетическому переходу, который происходит, когда вода в вашем чайнике превращается в пар. Впоследствии физики пришли к выводу, что фазовые переходы могли внезапно изменить характер ранней Вселенной и другими способами. Считается, что подобные космические сдвиги привели к образованию фундаментальных частиц из энергии пустого пространства-времени, подобно тому, как капли воды образуются в густом тумане, и "выделили" четыре взаимодействия из единой силы, которая им предшествовала. Это гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия. В то же время более спекулятивные варианты фазовых переходов позволяют объяснить такие загадки, как темная энергия - неизвестная сила, заставляющая Вселенную расширяться все быстрее и быстрее.

В наши дни большинство космологов не видят особой пользы в туманном понимании Большого взрыва начала времен. Сегодня на первый план выходят фазовые переходы. Горячий Большой взрыв — это обобщающий термин, который сейчас используется для обозначения серии сложных энергетических переходов, произошедших в результате инфляции. "На смену старой школе "большого взрыва" пришла так называемая инфляционная космология", - говорит Кай Шмитц из Мюнстерского университета в Германии, но детали этого нестабильного и флуктуирующего раннего периода все еще остаются под вопросом. "У нас до сих пор слишком много вариантов, каждый из которых нуждается в проверке", - говорит он.

Учитывая все эти варианты, а также то, что Фриз и Винклер добавили еще один Большой взрыв - метафорически включили чайник, - возможно, это не такой уж и гигантский “прыжок веры”, каким он может показаться на первый взгляд, пишет Кларк.

Гипотеза темного большого взрыва выглядит довольно убедительно, поскольку созданные им частицы влияют на видимую нами Вселенную только посредством гравитации. "Мы предположили, что существует два сектора Вселенной, - говорит Фриз, - один, который создает частицы в стандартной модели физики элементарных частиц, и другой, который создает темную материю".

The big bang theory is the birth of the universe

Если темный большой взрыв случился не позднее чем через месяц после горячего большого взрыва, то его влияние на структуру галактик и скоплений, которые мы наблюдаем сегодня, должно быть минимальным, считает Фриз. "Вы должны быть абсолютно уверены, что не нарушите стандартную эволюцию космологии", - считает она.

Когда речь заходит о видах темной материи, которую мог бы создать темный Большой взрыв, расчеты Фриз и Винклера указывают на возможность образования по меньшей мере трех различных типов частиц темной материи, все они довольно необычны, но некоторые из них еще более удивительны, чем другие. "Самые массивные из них выглядят очень странно", - говорит Фриз.

Чтобы создать самые массивные частицы, фазовый переход должен быть очень резким, в результате чего образуются расширяющиеся "пузыри", перемещающие систему из одного состояния в другое. Когда такие пузырьки сталкиваются, они высвобождают свою энергию. Это похоже на шипящий звук, который вы слышите, когда чайник начинает закипать и появляются тысячи крошечных бурлящих пузырьков. Во время такого темного Большого взрыва пузырьки настолько энергичны, что из них могут образоваться частицы, масса которых в 10 триллионов раз больше массы протона. Чтобы продемонстрировать чудовищный размер этих частиц темной материи, Фриз и Винклер назвали их "даркзиллами" - в шутку от имени вымышленного японского монстра.

С другой стороны, если фазовый переход происходит постепенно, то в результате темного Большого взрыва образуются более "светлые" частицы. Такие частицы первого типа аналогичны WIMP, которые ученые пытаются найти в традиционных экспериментах с темной материей. Согласно гипотезе, эти темные ВИМПы должны взаимодействовать с темными "аналогами" сил природы, например, с темным электромагнетизмом, который создает темные фотоны. Если бы таких темных сил не существовало, то темные ВИМПы не смогли бы уравновесить свою энергию, поглощая и излучая темные фотоны. Тогда, пишут ученые, вы получите другую частицу, с несколько жутким названием "темный каннибал". В отсутствие сил темной природы, поддерживающих равновесие, эти частицы будут поглощать друг друга при каждом столкновении. "Это всего лишь малая часть возможных вариантов. Возможно, их гораздо больше", - считает Фриз.

Почему квантовая вселенная - штука гораздо более странная, чем вы думаете

Кстати, это далеко не первый случай, когда выдвигается идея о скрытом "секторе" темных частиц. Темные фотоны и стерильные нейтрино, например, уже давно предлагаются в качестве кандидатов на темную материю, которые ощущают только силу гравитации. Некоторые исследователи уже предложили создавать темную материю путем столкновения пузырьков в фазовых переходах. Другие же пытаются с помощью фазовых переходов объяснить создание темной материи из первозданных черных дыр или такие необычные явления, как "кварковые самородки".

"Если вы зайдете на сервер препринтов arXiv, то увидите множество вариантов фазовых переходов", - говорит Шмитц. "Особенность предложения Фриз и Винклера в том, что их темный сектор чрезвычайно темный", - говорит он, имея в виду, что между светлой и темной сторонами Вселенной нет ничего, кроме гравитации.

Подобное разделение само по себе вызывает вопросы, говорит он, поскольку непонятно, откуда берется энергия, необходимая для темного Большого взрыва. Согласно "бритве Оккама", более простые гипотезы всегда предпочтительнее. "Зачем иметь два больших взрыва, если достаточно одного?" - говорит Шмитц.

На данный момент ВИМПы остаются наиболее вероятным кандидатом на роль частиц темной материи, говорит Чамкаур Гаг из Университетского колледжа Лондона. "Скорее всего, пройдет еще не менее десяти лет, прежде чем ВИМПы можно будет исключить из числа предпочтительных теорий", - полагает он. При этом Гаг не исключает и более необычных альтернатив, таких как второй Большой взрыв. "На первый взгляд, в этой теории нет ничего предосудительного", - говорит он. "Вопрос в том, насколько она обоснована и пригодна для исследований".

Фриз считает, что ответ на этот вопрос положительный. По ее словам, сталкивающиеся пузырьки фазовых изменений, связанные с темным Большим взрывом, оставляют отчетливый "отпечаток" в виде пульсаций в пространстве-времени, называемых гравитационными волнами. Она также предполагает, что, возможно, мы уже не однократно наблюдали эти пульсации.

Схематическое изображение эволюции расширяющейся Вселенной согласно концепции Большого взрыва. Источник Большая российская энциклопедия. 

О первом обнаружении гравитационных волн стало известно в 2016 году благодаря Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории. С тех пор было зафиксировано не менее 100 других. Каждая из них связана со столкновением двух сверхплотных небесных объектов, например черных дыр или нейтронных звезд. Но есть и другой вид сигналов гравитационных волн: фоновый гул, похожий по форме на CMB. Он может быть вызван столкновениями множества далеких черных дыр, которые невозможно различить по отдельности. Либо он может быть вызван фазовыми переходами в ранней Вселенной.

В июне 2023 года астрономы из Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav) обнаружили фоновый гул гравитационных волн. Сигнал еще слишком слабый, чтобы определить его происхождение, но, учитывая, что мы знаем о существовании черных дыр, можно предположить, что они сталкиваются.

Темный Большой взрыв, однако, является вполне убедительным альтернативным объяснением, говорит Фриз. " Масштабы энергии, о которых мы говорим для темного Большого взрыва, идеально подходят для столкновений пузырей, которые могли бы послать сигналы NANOGrav", - говорит она. По словам Шмитца, который входит в консорциум NANOGrav, существует "огромный потенциал" для изучения всех видов фазовых переходов в ранней Вселенной. "[Темный Большой взрыв] нельзя полностью игнорировать на основе существующих данных".

NANOGrav занимается измерением небольших возмущений в регулярных циклах сигналов вращающихся звезд, так называемых пульсаров. Тщательный анализ времени прибытия этих сигналов позволяет определить характеристики гравитационного волнового фона, что дает подсказку о его происхождении. Если в гравитационном фоне по всему небу будут наблюдаться вариации, называемые анизотропиями, то это будет свидетельствовать о том, что причиной тому являются столкновения черных дыр, а не фазовые переходы. "Если нам повезет, то мы сможем обнаружить анизотропии уже через пару лет", - говорит Шмитц.

Между галактиками обнаружена гигантская звездная река длиной 1,7 млн световых лет

В поисках космической инфляции

Если же гул гравитационных волн продолжает оставаться однородным, то, скорее всего, это сигнал от фазовых переходов в ранней Вселенной. Однако этот сигнал может состоять из множества различных, накладывающихся друг на друга фазовых переходов, которые еще предстоит разделить. Это может быть инфляция или фазовые переходы, в результате которых сформировались силы и частицы стандартной модели. Например, один из таких энергетических сдвигов произошел, когда поле Хиггса, которое придает всем частицам массу, уплотнилось. "Могут быть и другие фазовые переходы", - говорит космолог Кьяра Каприни из Женевского университета (Швейцария). "Мы пока не знаем, что происходит при более высоких энергиях".

Чтобы разобраться во всем этом, необходимы более точные данные о гравитационных волнах. NANOGrav сотрудничает с системами синхронизации пульсаров по всему миру, такими как Square Kilometre Array. В 2037 году Европейское космическое агентство планирует запустить космическую антенну лазерного интерферометра. Лазерные лучи, передаваемые между тремя космическими аппаратами, движущимися в одном, строю, будут измерять гравитационные волны в мельчайших подробностях. Вместе, говорит Фриз, эти телескопы смогут наблюдать прогнозируемые сигналы от темного Большого взрыва и даже определить, кто является наиболее вероятным кандидатом на частицу темной материи - даркзиллы или темные ВИМПы. "Мы должны внимательно следить за данными и смотреть, не появился ли у нас подходящий вариант", - говорит она.

Концептуальное изображение. Темная материя в космическом пространстве.

По мере того, как гравитационный волновой фон становится все более явным, космологам предстоит проделать большую работу. С таким разнообразием потенциальных фазовых переходов они просто обязаны сделать обоснованные прогнозы, чтобы наконец понять нашу далекую и темную историю происхождения