Современная космология сталкивается с одной из самых глубоких тайн физики — природой тёмной материи. Несмотря на то что именно она составляет приблизительно 85% всей материи во Вселенной, учёные до сих пор не знают, из чего она состоит и как именно ведёт себя. Исторически лидирующей моделью был так называемый «холодный» вариант тёмной материи, но новое исследование предлагает альтернативу: тёмная материя могла возникнуть в «горячем» состоянии и затем охладиться, прежде чем сформировались галактики и крупномасштабная структура космоса. Эта работа опубликована в журнале Physical Review Letters и обсуждается как потенциальная корректировка космологических моделей поколения ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), которые доминируют в науке более 40 лет.
Что такое тёмная материя и почему она важна
Тёмная материя — это гипотетическая форма материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением (светом), что делает её «невидимой» для обычных телескопов. Её существование выводится из гравитационного влияния на обычную материю: движение звёзд в галактиках, распределение галактик в скоплениях и эффекты гравитационного линзирования указывают, что гравитационная масса во Вселенной гораздо больше той, которую можно объяснить видимой материей.
Современная космология исходит из модели Lambda-CDM, в которой тёмная материя считается «холодной» (Cold Dark Matter, CDM). Это означает, что её частицы предполагаются массивными и движутся относительно медленно по сравнению со скоростью света, что позволяет им эффективно образовывать космическую «скелетную» структуру галактик и дополнительно объясняет распределение материи на больших масштабах.
Горячая тёмная материя: истоки идеи
Понятийно противоположная категория — горячая тёмная материя (Hot Dark Matter, HDM) — предполагает частицы с очень высокой скоростью движения, близкой к скорости света. Согласно ранним теоретическим моделям, такие частицы не могли образовывать структуры малого масштаба (например, галактик), поскольку их быстрый разбег препятствовал гравитационному сгущению массы. Из-за этого горячая тёмная материя рассматривалась как неподходящая для объяснения наблюдаемой космической структуры.
Классическим примером кандидатов горячей материи являются нейтрино с малой массой, которые при рождении могли двигаться с очень высокой скоростью. Однако их применимость в качестве главного компонента тёмной материи была отвергнута именно из-за неспособности формировать структуры на нужных масштабах.
Новая гипотеза: горячее начало с последующим охлаждением
Новое исследование, проведённое группой физиков под руководством Стивена Хенриха и Кейта Олив — учёных из Университета Миннесоты — бросает вызов представлению о том, что тёмная материя должна изначально быть холодной. Команда предложила, что тёмная материя могла родиться в горячем, почти ультра-релятивистском состоянии, если она возникла во время фазы постинфляционного разогрева Вселенной — короткого периода после Большого взрыва, когда энергия инфляционного поля перешла в плотный «суп» частиц и излучения.
Суть идеи заключается в следующем:
- Частицы тёмной материи могли появиться в горячем состоянии, двигаясь почти со скоростью света.
- По мере расширения Вселенной они постепенно охлаждались, теряя кинетическую энергию и замедляясь.
- Если это охлаждение произошло до начала формирования галактик и скоплений, то такая горячая материя могла вести себя подобно холодной, собираясь в структуры благодаря гравитации.
Это означает, что требования к изначальному состоянию тёмной материи становятся менее строгими: она не обязательно должна была быть холодной с самого рождения, чтобы выполнить фундаментальную роль, которую ей приписывает космология.
Как горячая тёмная материя вписывается в картину космоса
Предложение о горячем происхождении тёмной материи не отрицает существование наблюдаемых гравитационных эффектов, но перестраивает временную шкалу формирования структур во Вселенной. Согласно традиционным ΛCDM-моделям, холодная тёмная материя должна была сгущаться уже на ранних этапах, формируя гравитационные «гнёзда», вокруг которых затем собиралась обычная материя — газ, звёзды и галактики. Новая гипотеза допускает, что те же процессы могли начаться после того, как горячие частицы достаточно охладились.
Если горячая тёмная материя успевала замедлиться до начала этой фазы, то она могла выполнять аналогичные функции: служить гравитационной «основой» для формирования крупных структур и галактик, как это предполагает стандартная модель. Таким образом, основной результат заключается не в замене существующих наблюдательных данных, а в уточнении характера начального состояния тёмной материи и условий её появления.
Новые кандидаты и эксперименты
Работа также актуализирует вопрос о возможных физических кандидатах тёмной материи. Например, частицы с очень малой массой, ранее отвергнутые как несовместимые с формированием структур, могут вновь рассматриваться в этом контексте, если они рождались горячими, но затем замедлялись в нужный период.
Проверка таких гипотез требует новых экспериментальных подходов:
- Коллайдеры элементарных частиц могут помочь в поисках частиц, подходящих под новую гипотезу, в частности, лёгких слабо взаимодействующих частиц.
- Астрофизические наблюдения раннего космоса, включая данные о микроволновом фоне и распределении галактик, позволяют сравнивать предсказания различных моделей с тем, что наблюдается.
Почему это важно для науки
Предложение о горячем происхождении тёмной материи поднимает несколько фундаментальных вопросов в космологии и физике элементарных частиц. Оно:
- уточняет возможные сценарии рождения и эволюции частиц тёмной материи;
- расширяет круг моделей, объясняющих формирование крупномасштабной структуры Вселенной;
- открывает новые направления для экспериментальной проверки в лабораториях и космических наблюдениях.
Новая гипотеза не отвергает холодную тёмную материю как возможный сценарий, но предлагает, что она могла пройти стадию “горячего старта”, прежде чем охладиться и стать той таинственной силой, которая связывает галактики и структуры видимой Вселенной.
Заключение
Темная материя остаётся одной из главных загадок современной науки. Несмотря на то что её существование выводится из множества наблюдений и космологических моделей, природа этих невидимых частиц остаётся неизвестной. Новые исследования, предлагающие горячее начало тёмной материи, пересматривают ключевые допущения текущей космологии и расширяют теоретические рамки для объяснения эволюции Вселенной. Последующие эксперименты и наблюдения помогут уточнить, насколько эта новая гипотеза согласуется с реальными данными о раннем космосе и современной структуре галактик.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
