Якщо темна матерія здавалась недостатньо загадковою, нове дослідження пропонує, що вона могла виникнути ще до Великого вибуху.

Згідно з традиційною теорією, Великий вибух був початком всього — матерії, темної матерії, простору, енергії, всього цього. Після самого події Всесвіт пережив період космічної інфляції, коли його розміри збільшилися в 10 септильйонів разів за неймовірно короткий проміжок часу.

Але деякі теорії припускають, що цей період інфляції насправді стався до того, що ми називаємо Великим вибухом. І тепер фізики з Техаського університету в Остіні запропонували, що темна матерія сформувалася саме під час цього короткого періоду.

Команда називає нову модель теплою інфляцією через замороження, або WIFI. В основному, частинки темної матерії виникали з маленьких взаємодій між радіацією та частинками в теплому “термічному басейні” під час періоду інфляції.

“Особливість нашої моделі в тому, що темна матерія успішно виробляється під час інфляції,” каже Кетрін Фріз, теоретична астрофізикиня з Техаського університету.

“У більшості моделей усе, що створюється під час інфляції, потім ‘виноситься’ експоненціальним розширенням Всесвіту до того, що фактично нічого не залишається.”

Згідно з теорією, до Великого вибуху весь Всесвіт існував у сингулярності — точці нескінченної густини, де простір-час був нескінченно викривлений. Але відомі закони фізики повністю втрачають свою силу в цій точці, тому деякі фізики припускають, що перед Великим вибухом існувала інша епоха, а не сингулярність.

Це могла бути колапс попереднього всесвіту, як у моделі Великого відскоку — або це могла бути космічна інфляція. Ця фаза тривала лише кілька нонільйонних часток секунди, і енергія перетворилась на матерії і світло, що стало тим, що ми називаємо Великим вибухом.

Відтак, було закладено основу для еволюції Всесвіту, як це описано в загальній теорії відносності.

Автори нового дослідження не є першими, хто припустив, що космічна інфляція відбулась до Великого вибуху. Вони навіть не перші, хто припустив, що темна матерія виникла під час цієї епохи. Новим є їхній механізм, як це дивне явище створюється в кількостях, що відповідають астрономічним спостереженням.

Тепла інфляція (цей ‘WI’ в новій моделі WIFI) — це існуюча ідея, що передбачає, що радіація виробляється під час експоненціального розширення. Це створює своєрідний термічний басейн, що дозволяє відбуватись маленьким, але важливим взаємодіям.

Темна матерія може мати походження ще до Великого вибуху Схема, що ілюструє, як взаємодії між інфлатонами (зелені) і радіацією в термічному басейні (жовті) виробляють темну матерію (чорні крапки). (Габріеле Монтефальконе) Механізм космічної інфляції досі невідомий, але умовний елемент — це поле гіпотетичних частинок, зване інфлатонами, схожими на знаменитий бозон Хіггса. У сценарії теплої інфляції це поле інфлатонів втрачає частину своєї енергії на радіацію в термічному басейні.

Відтак, радіація виробляє частинки темної матерії через процес, званий замороженням ультрафіолетовим (UV freeze-in) (це той самий ‘FI’ у WIFI). По суті, темна матерія ніколи не досягає рівноваги з басейном, і температура цього басейну залишається нижчою за певний поріг.

Згідно з розрахунками команди, цей механізм виробляє достатньо темної матерії, щоб відповідати кількості, про яку свідчать астрономічні спостереження.

Це не означає, що загадка вирішена, звісно. Це лише одна з багатьох гіпотез, зокрема про те, що темна матерія виникла в її власному ‘Темному Великому вибуху’ пізніше.

Наразі модель WIFI не може бути безпосередньо перевірена, але частина її може бути випробувана найближчим часом. Майбутні дослідження космічного мікрохвильового фону, такі як CMB-S4, можуть перевірити ідею теплої інфляції.

“Якщо майбутні спостереження підтвердять, що тепла інфляція — це правильна парадигма, це значно зміцнить аргументи на користь того, що темна матерія була створена так, як описано в нашій схемі,” каже фізик з Техаського університету Габріеле Монтефальконе, співавтор дослідження.

Дослідження було опубліковано в журналі Physical Review Letters.