Является ли происхождение темной материи самой гравитацией?

Новая модель очень ранней Вселенной предполагает, что гравитон, квантово-механический носитель гравитации, заполонил космос темной материей еще до того, как у нормальной материи появился шанс начать работу. Предложение может быть способом связать две самые большие загадки современной космологии: природу темной материи и историю космической инфляции.

Многие космологи считают, что, когда Вселенная была невероятно молода (т. е. ей было меньше доли секунды), она переживала период невероятно быстрого расширения, известного как инфляция. Эта инфляционная эпоха имела решающее значение для будущей эволюции Вселенной, поскольку это невероятное расширение превратило микроскопические квантовые флуктуации пространства-времени в семена, которые когда-нибудь станут звездами, галактиками и скоплениями.

Фактическое инфляционное событие довольно загадочно. Например, космологи не знают, что вызвало инфляцию, что привело ее в действие, как долго она продолжалась или когда она прекратилась.) Но эта общая картина — единственная, которая может объяснить закономерности, обнаруженные в космическом микроволновом фоне (послесвечение света). структура, сформировавшаяся, когда Вселенной было 380 000 лет) и крупномасштабное распределение материи во Вселенной.

Статистика этих паттернов соответствует тому, что мы наблюдаем в квантовых флуктуациях, что дает космологам уверенность, необходимую им для выдвижения гипотезы о наличии связи. В конце инфляции космос был намного больше, чем раньше. Но он также был намного более пустым, так как все содержимое, которое ранее было во вселенной, просто было разбросано далеко друг от друга.

Оставалось только одно: то, что изначально приводило к инфляции, но в конце концов выдохлось. Космологи называют эту движущую силу инфлатоном и думают, что это было квантовое поле, пропитавшее все пространство. Когда инфляция закончилась, инфлатон распался, затопив Вселенную множеством частиц, которые мы видим в наши дни. Во многих отношениях инфляция была «настоящим» Большим взрывом. Если вы представите себе пустую вселенную, внезапно обогатившуюся взрывом частиц, то вот она.

Тихая темная материя

Когда инфляция закончилась, это вызвало создание всех известных частиц. Так что, по-видимому, это же событие также произвело темную материю. Космологи не уверены, из чего состоит темная материя, но множество свидетельств свидетельствует о том, что это какой-то новый, неизвестный вид частиц. Чем бы ни была эта частица, на ее долю приходится более 80% всей материи во Вселенной.

Физики потратили десятилетия на поиски любых намеков на прямое взаимодействие между частицами темной материи и обычной материи, но безрезультатно. Если темная материя действительно частица, то ей очень-очень не нравится разговаривать с нормальной материей. Это отсутствие обнаружения темной материи весьма раздражает в истории инфляции, потому что, если темная материя не общается с нормальной материей, то мало причин, по которым инфлатон должен создавать темную материю вместе с нормальной материей в ранней Вселенной.

Теперь пара физиков из Хельсинкского института физики предложила новый механизм генерации большого количества темной материи в ранней Вселенной, даже если инфлатону не нравилось производить темную материю. И этот новый механизм опирается исключительно на гравитацию.

Этот механизм, описанный физиками в статье в базе данных препринтов arXiv, предполагает, что инфлатон и темная материя не разговаривают друг с другом, поэтому частица темной материи не образуется обычным образом в конце инфляции.

Вместо этого исследователи изучили поведение инфлатона непосредственно перед его распадом. В конце инфляции, прямо перед тем, как инфлатон исчезнет и породит зоопарк частиц нашей Вселенной, инфлатон плещется по космосу, как мяч, который только что скатился с крутого холма, но еще не успокоился. Космологи называют этот шаг фазой предварительного разогрева распада инфлатона, и он может породить какую-то сумасшедшую физику.

Например, на этой короткой фазе главную роль может играть сама гравитация, позволяющая инфлатону соединиться с частицей темной материи. В этом случае гравитация принимает форму предполагаемого носителя квантово-механической силы — гравитона. Обычно гравитон не участвует в реакциях частиц, но физики нашли способ его появления в фазе предварительного нагрева ближе к концу инфляции.

Пара обнаружила, что когда гравитон появляется во взаимодействиях частиц в эту эпоху, он может обеспечить каналы для распада инфлатона на частицы темной материи. Эти частицы темной материи уже должны были присутствовать во Вселенной до того, как остальная нормальная материя последовала их примеру, когда инфлатон, наконец, исчез.

Этот механизм работает только тогда, когда пространство делает что-то интересное, например, быстро расширяется во время инфляции. Итак, когда инфляция, наконец, подорвала способность Вселенной творить, частицы темной материи исчезли.

Физики настроили свою модель, чтобы создать нужное количество темной материи, которого требуют наблюдения за космосом. Тем не менее, это все еще теоретическая работа. Самое главное, физики не совсем уверены, как гравитация взаимодействует с частицами. Это режим квантовой гравитации, теория сильной гравитации в малых масштабах, которая на сегодняшний день является священным Граалем современной физики.

Итак, для своей работы соавторам статьи пришлось сделать множество предположений о том, как действует гравитация в этих масштабах. Тем не менее, идея интересна, потому что она дает возможность ранней Вселенной производить значительное количество темной материи, и эта темная материя никогда больше не будет взаимодействовать с нормальной материей.