Учени смятат, че са открили какво е съществувало преди Големия взрив

Тъмната материя обърква физиците от почти век, тихо оформяйки невидимата рамка на нашата вселена. Невидима, но влияеща, тя осигурява гравитацията, необходима за запазване на цялостта на галактиките, определяйки тяхното движение и структура.

Около 85% от цялата материя във Вселената остава скрита, неоткриваема дори с най-добрата днешна технология. Забележително е, че учените подозират, че този мистериозен материал може да е съществувал дори преди Големия взрив.

През 30-те години на миналия век изследователите за първи път забелязват странности в движението на галактиките, което предполага, че нещо невидимо упражнява гравитационно привличане. Десетилетия по-късно изследванията на космическия микровълнов фон — остатъчното лъчение от раждането на Вселената — потвърждава значението на тъмната материя за оформянето на космическата еволюция.

Основополагащо проучване на колаборацията "Планк" през 2018 г. разкрива, че тъмната материя съставлява приблизително 27% от общата енергия на Вселената. За сравнение, обикновената материя – материята на планетите, звездите и нас – представлява само 5%.

Десетилетия учените се опитват да разберат какво може да представлява тъмната материя. Според суперсиметрията, популярна теория във физиката на елементарните частици, има частица "партньор" за всяка известна частица, като потенциално предлага улики за идентичността на тъмната материя.

Частиците в Стандартния модел съставят вътрешния кръг. Техните суперсиметрични партньори съставят външния пръстен. Според една теория на базата на идеята за суперсиметрията фермионите и бозоните могат да бъдат разглеждани като част от едно семейство, наречено супермултиплет, притежаващо определена симетрия. Този супермултиплет описва частици, които се движат в суперпространството - разширение на обикновеното четиримерно пространство-време, към което се добавя съвсем необикновено измерение. Оказва се, че ако супермултиплетът се завърти в това суперпространство, бозоните ще се превърнат в фермиони и обратно. С други думи, бозоните и фермионите са само проекции в нашия обикновен свят на единен обект, подвизаващ се в суперпространството. Кредит: businessinsider

По тази теория слабо взаимодействащите масивни частици или WIMP са станали водещи кандидати за тъмна материя. Тези хипотетични частици почти не взаимодействат с обикновената материя, но експериментите под земята и в ускорителите на частици биха могли да ги открият.

Въпреки значителните усилия, WIMP остават неуловими. Експерименти като DAMA съобщават за сигнали, вероятно свързани с тъмната материя, но тези съобщения са противоречиви. Опитите на други проекти, като COSINE-100, не дават ясни доказателства за потвърждаване на резултатите на DAMA.

Мощните сблъсъци на частици в Големия адронен колайдер също се оказаха напразни, без да открият признаци на прогнозираните от теорията на суперсиметрията частици. С тази липса на доказателства, най-простите теории, базирани на WIMP, сега са изправени пред сериозни съмнения.

Една такава новаторска идея е теорията за "тъмния Голям взрив" (DBB - Dark Big Bang), предложена през 2023 г. от Катрин Фрийз (Katherine Freese) и Мартин Уинклер (Martin Winkler) от Тексаския университет в Остин. За разлика от традиционния Голям взрив, който обяснява раждането на обикновената материя, DBB предполага, че тъмната материя е възникнала в резултат на отделно събитие.

Този втори Голям взрив, настъпил известно време след първия, би генерирал тъмна материя чрез разпадане на квантово поле, уловено в състояние на фалшив вакуум.

В този модел ранната Вселена се е състояла от два сектора: видим сектор, изпълнен с познатите ни частици и сили, и тъмен сектор, който е останал студен и отделен. В крайна сметка тъмният сектор претърпява свой собствен фазов преход, аналогичен на горещия Голям взрив във видимия сектор.

Този преход довежда до термична баня от тъмни частици, управлявана от уникален набор от физични закони. Моделът на DBB е особено гъвкав, тъй като може да приеме широк диапазон от маси на частиците на тъмната материя - от леки като няколко keV до тежки като 10¹² GeV.

Това, което отличава модела на DBB, е потенциалът му да оставя наблюдаеми следи. Фазовият преход в тъмния сектор би могъл да генерира гравитационни вълни - пулсации в тъканта на пространство-времето. Тези вълни биха се различавали от тези, които се получават при сливане на черни дупки или сблъсъци на неутронни звезди, и биха могли да бъдат открити от обсерватории от следващо поколение.

По-специално, нискочестотните гравитационни вълни, откриваеми от пулсарните тайминг масиви PTA (pulsar timing array), като например Международния пулсарен тайминг масив (IPTA - International Pulsar Timing Array) и Квадратнокилометровия масив (SKA - Square Kilometer Array), биха могли да предоставят решаващи доказателства за DBB.

Неотдавнашната работа на Козмин Илие (Cosmin Ilie), доцент по физика и астрономия в университета Колгейт, и Ричард Кейси (Richard Casey), старши студент по физика, прецизира допълнително теорията за DBB. Тяхното изследване изследва нови пространства от параметри за тунелното поле на тъмния сектор, като идентифицира сценарии, които съответстват на съществуващите космологични наблюдения.

Тези сценарии предвиждат не само правилното количество на тъмната материя, но и гравитационно-вълновите сигнали, които скоро биха могли да бъдат в обсега на експериментите на PTA.

"Откриването на гравитационни вълни, генерирани от тъмния Голям взрив, би могло да осигури решаващи доказателства за тази нова теория на тъмната материя", заявява Илие. Такова откриване би било революционно, предлагайки първото пряко доказателство за различния произход на тъмната материя.

Мъртвите звезди, наречени пулсари (на илюстрацията), излъчват снопове радиовълни, които преминават покрай Земята като по часовник. Предполага се, че гравитационните вълни от двойки свръхмасивни черни дупки (горе вляво) разкъсват тъканта на пространство-времето и променят времето на пулсарите. Кредит AURORE SIMONET FOR THE NANOGRAV COLLABORATION

Откриването на фонови гравитационни вълни през 2023 г. от колаборацията NANOGrav, част от IPTA, добавя интригуващо измерение към тези изследвания. Въпреки че точният източник на тези вълни остава несигурен, те потенциално биха могли да съответстват на прогнозите на модела на DBB.

Освен значението си за тъмната материя, теорията DBB предлага нова перспектива за ранната Вселена. Традиционно космологията работи с предположението, че цялата материя, тъмна или друга, е възникнала от едно и също събитие.

Идеята за вселена с двоен произход оспорва това схващане, като предполага по-сложно взаимодействие на сили и полета в ранната фаза на Вселената. Ако се потвърди, моделът DBB може да промени разбирането ни за космическата еволюция - от формирането на първите галактики до едромащабната структура на Вселената.

Търсенето на тъмната материя е основен стълб на съвременната физика, който стимулира напредъка в технологиите и теорията. Експериментите за директно откриване, като тези, провеждани дълбоко под земята, продължават да разширяват границите на чувствителността, като се стремят да уловят мимолетни взаимодействия между частиците на тъмната материя и обикновената материя.

Междувременно астрофизичните наблюдения - от космическия микровълнов фон до кривите на въртене на галактиките - предоставят косвени, но убедителни доказателства за гравитационното влияние на тъмната материя. Моделът DBB, със своите уникални прогнози и проверими последствия, добавя нов мощен инструмент към този арсенал.

С напредването на възможностите за наблюдение перспективата за откриване на гравитационни вълни от DBB става все по-правдоподобна. Проекти като SKA, които се очаква да бъдат пуснати в действие през следващото десетилетие, обещават безпрецедентна чувствителност към нискочестотни гравитационни вълни. Тези усилия биха могли най-накрая да повдигнат завесата на мистериозния произход на тъмната материя, отговаряйки на въпроси, които озадачават учените от поколения.

Справка:

Dark Matter Production during Warm Inflation via Freeze-In; Katherine Freese, Gabriele Montefalcone and Barmak Shams Es Haghi; Phys. Rev. Lett. 133, 211001; DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.211001

Dark matter and gravitational waves from a dark big bang; Katherine Freese and Martin Wolfgang Winkler; Phys. Rev. D 107, 083522; DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.107.083522

Dark sector tunneling field potentials for a dark big bang; Richard Casey and Cosmin Ilie; Phys. Rev. D 110, 103522; DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.110.103522

Източник: Scientists think they discovered what existed before the Big Bang, The Brighter Side of News

Още по темата

09/01/2025

Физика

Експериментът LZ установява нови ограничения за взаимодействията с тъмната материя

15/11/2023

Физика

Втори голям взрив? Радикална идея, която пренаписва произхода на тъмната материя

07/03/2023

Космос

Ами ако всичко е започнало и с Голям взрив на тъмна материя (видео)

16/12/2015

Физика

Как доказването на Суперсиметрията може да промени разбирането ни за Вселената