Истинската природа на тъмната материя остава загадка. Въпреки десетилетия на усилени търсения на частици тъмна материя, ние все още не знаем какво е това, въпреки че знаем от косвени наблюдения, че 85% от цялата материя във Вселената се състои от тъмна материя, а останалите 15% от обикновената ни известна материя.

Тези косвени наблюдения са до голяма степен свързани с гравитацията, като плоските криви на въртене на галактиките и гравитационните лещи около  галактиктически купове.

Но какво ще стане, ако самата гравитация е тази, която формира произхода на тъмната материя?

Наскоро двама физици – Олег Лебедев и Йонг-Хюн Юн (Jong-Hyun Yoon) от Института по физика в Хелзинки – предлагат удивителна теория: че в първата фаза на Вселената, фазата на инфлация, гравитонът, това е хипотетичният квантов носител на гравитацията, е създал огромни количества тъмна материя. И това се е случило във време, когато дори обикновената материя все още я е нямало, тя се появява едва след периода на инфлация.

По време на периода на инфлация, Вселената се разширява с експоненциална скорост, в малък интервал от време Вселената може би се разширила между 10³⁰ и 10¹⁰⁰ пъти.

Тази инфлационна епоха е била от решаващо значение за бъдещата еволюция на Вселената, тъй като това невероятно разширение превръща микроскопичните квантови флуктуации на пространство-времето в семена, които някой ден ще се превърнат в звезди, галактики и галактиктически купове.

Какво е причинило тази инфлация не е известно, но е единственото, което може да обясни моделите, открити в космическия микровълнов фон, образуван, когато Вселената е била на 380 000 години, и широкомащабното разпределение на материята във Вселената. Статистиката на тези модели съвпада с това, което виждаме в квантовите флуктуации, което дава на космолозите увереността, от която се нуждаят, за да предположат, че има връзка. 

_{Графиката показва времева линия на Вселената, базирана на теорията за Големия взрив и моделите за инфлация. Кредит: NASA/WMAP}

В края на инфлацията космосът е бил много по-голям от преди. Но също така е бил и много по-празен, тъй като цялото съдържание, което преди това е било във Вселената, е било изхвърлено далеч едно от друго.

Каквото и да е задвижвало инфлацията в началото, то в крайна сметка се изчерпа. Космолозите смятат, че за нея е било отговорно хипотетично поле, наречено инфлатонно поле, проявление на което е частицата инфлатон. След периода на инфлация инфлатонът се разпада и се образуват частиците, които познаваме днес, протоните, неутроните, електроните и други частици. Вероятно същото събитие е произвело и тъмна материя. Космолозите не са сигурни от какво е съставена тъмната материя, но изобилие от доказателства сочат, че това е някакъв нов, неизвестен вид частица, която представлява над 80% от цялата материя във Вселената.

Лебедев и Юн сега предлагат нов механизъм за генериране на много тъмна материя в ранната вселена, който разчита единствено на гравитацията. В края на инфлацията, точно преди инфлатонът да изчезне и да породи зоологическата градина от частиците на нашата вселена, инфлатонът се пръска из космоса като топка, търкулнала се надолу по стръмен хълм, но все още колебаеща се на дъното на потенциалната яма.

_{Аналог на повторно нагряване на ранната Вселена в лабораторията динамиката на инфлатонното поле се картографира върху тази на атомен Бозе-Айнщайн кондензат, чиито възбуждения се идентифицират с частиците, произведени от разлагащото се инфлатонно поле. Кредит: https://arxiv.org/abs/2008.02290} 

Космолозите наричат ​​този етап фаза на повторно загряване на разпадането на инфлатона. В ттази кратка фаза, самата гравитация може да играе основна роля, позволявайки на инфлатона да се свърже с частица тъмна материя. В този случай гравитацията приема формата на предполагаемия си квантово-механичен носител на сила, гравитона. Обикновено гравитонът не участва в реакциите на частиците, но двамата физици са намерили начин да го накарат да се появи във фазата на повторно загряване към края на ерата на инфлацията.

Лебедев и Юн откриват, че когато гравитонът се появява във взаимодействията на частиците в тази екстремна епоха, той може да осигури канали за разпадане на инфлатона в частици тъмна материя. Тези частици тъмна материя тогава щяха да са във Вселената преди останалата нормална материя да ги последва, когато инфлатонът в крайна сметка изчезне. Този механизъм работи само ако нещо специално се случи с космоса, като експоненциално бързото разширяване по време на инфлацията. И когато тази фаза приключва, производството на тъмна материя също спира, запазвайки нивото на сегашните 85% тъмна материя във Вселената.

Физиците са настроили своята симулация така, че да създадат точното количество тъмна материя, което изискват наблюденията на космоса. Но това все още е теоретична работа. Авторите не са съвсем сигурни как гравитацията взаимодейства с частиците. Това е механизъм на квантовата гравитация, теория за силната гравитация в малки мащаби, която е настоящият свещен граал на съвременната физика. Така че, за своята работа, съавторите на статията да направили много предположения за това как гравитацията действа в тези мащаби.

Все пак идеята е интересна, защото предлага начин за обяснение как ранната вселена може да произведе значителни количества тъмна материя и тази тъмна материя никога повече да не взаимодейства с нормална материя.

Справка: On gravitational preheating
Oleg Lebedev, Jong-Hyun Yoon; arXiv:2203.15808v1; https://doi.org/10.48550/arXiv.2203.15808 

Източник: Is the origin of dark matter gravity itself?, Space.com 

Още по темата

25/03/2022

Физика

Масивните гравитони - връстници на Хигс бозона и подходящи кандидати за тъмна материя?

18/02/2022

Физика

Има ли връзка между барионната асиметрия и първичните черни дупки?

02/02/2022

Космос

Инструмент за гравитационните вълни ще се използват за търсене на тъмната материя

05/01/2022

Космос

Едно и също ли са черните дупки и тъмната материя? Астрофизиците променят обясненията на учебниците