В свежем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, профессор Дартмута по физике и астрономии Роберт Колдуэлл вместе со старшекурсником с двойной специализацией по физике и математике Гуаньмином Ляном предлагают новую теорию происхождения темной материи — загадочной субстанции, которая, согласно современным представлениям, составляет около 85% всей массы Вселенной и отвечает за формирование ее структуры.
Согласно их модели, темная материя могла возникнуть в ранней Вселенной после столкновения высокоэнергетических безмассовых частиц — таких, что не имеют покоящейся массы и движутся со скоростью, близкой к скорости света. После объединения в пары эти частицы, по расчетам ученых, резко теряли свою электрическую энергию и приобретали массу, становясь холодными и медленными.
Темная материя начала свою жизнь как почти безмассовые релятивистские частицы, похожие на свет. Это полностью меняет представление о ней, ведь раньше думали, что это холодные массивные сгустки, дающие массу галактикам.
Гуаньмин Лян добавляет, что ключевым моментом их теории является резкий энергетический переход, подобный фазовому переходу: когда, например, вода быстро превращается в лед. В их модели пары частиц, притягивающихся противоположными спинами (аналогично северному и южному магнитным полюсам), резко теряли энергию и «конденсировались» в темную материю.
Интересно, что ученые связывают эту идею с явлением сверхпроводимости (в твердых телах при низких температурах электроны могут объединяться в пары, называемые куперовскими парами, которые проводят электричество без сопротивления). По мнению Колдуэлла и Ляна, подобный механизм мог действовать и в ранней Вселенной с безмассовыми частицами.
Их теория объясняет не только происхождение темной материи, но и почему плотность энергии во Вселенной уменьшилась с момента Большого взрыва, несмотря на появление массивных структур. Пары частиц переходили в холодное, почти бездавленное состояние, что отражается в космическом микроволновом фоне — остаточном излучении от Большого взрыва, который изучается в современных обсерваториях, включая проект CMB Stage 4 в Чили.
Ученые уверены, что именно анализ существующих и будущих данных этих наблюдений поможет проверить их теорию. «Это новый подход к тому, как мы можем думать о темной материи и ее обнаружении», — отмечает Колдуэлл.
Таким образом работа дартмутских исследователей открывает перспективу на экспериментальное подтверждение загадочной субстанции, давно ускользающей от прямых наблюдений. Их математическая модель проста и опирается на уже известные физические концепции, что делает ее особенно привлекательной для дальнейшего изучения.
Если темная материя действительно родилась из света, как предполагает новое исследование, то неудивительно, что она оставила такой яркий след в устройстве Вселенной. Ведь именно она, по мнению ученых, выстраивала карликовые галактики в упорядоченные структуры, подобные молниям и вихрям.
