Включете електрическата кана. Седнете и се вслушайте внимателно в мехурчетата водна пара, които се разширяват, свиват и сблъскват. Току-що проведохте експеримент, симулиращ Големия взрив - самото начало на Вселената - и може би сте разгадали загадката как космосът се е сдобил с тъмната материя.
Е, донякъде.
Защото, изследвайки сблъскващите се мехури в космологичен мащаб, физиците откриват основания за предположения за нови искри на космическото сътворение. Според тях е възможно в седмиците след Големия взрив да е имало втори, също толкова дълбок момент на трансформация. Този взрив може да е породил чудовищни тъмни частици, чиято маса е трилиони пъти по-голяма от масата на тези, които изграждат нормалната материя, и да е дал смисъл на тайнствената, невидима материя, която сякаш държи галактиките заедно.
Колкото и необичайно да звучи, концепцията за "тъмния" Голям взрив в общи линии съответства на тихата революция, която вече е в ход, тъй като космолозите пренаписват това, което смятаме за стандартен Голям взрив, за да отчетат множество различни "фазови преходи", всеки от които оставя своя отпечатък върху космоса. Нещо повече, сега вече са на разположение инструменти за проверка на тази идея, за да се надникне в най-ранните моменти на Вселената и да се разплетат слабите пулсации, породени от тези дълбоки първични промени.
Ако сред тях се открият доказателства за тъмния Голям взрив, това не само ще промени представата ни за ранната Вселена, но и ще ни даде нови сведения за естеството на тъмната материя и как най-накрая да разкрием нейната идентичност.
Смята се, че тъмната материя съществува, защото тя решава няколко астрономически главоболия.
Галактиките в купове се въртят една около друга по-бързо, отколкото би трябвало, което предполага, че във Вселената има друг източник на гравитация. По същия начин отделните галактики се формират преждевременно и външните им области се въртят твърде бързо. Тези наблюдения сочат съществуването на гигантски ореоли от невидима материя, чиято допълнителна гравитация слепва галактиките и купове. Но въпреки че според нашите оценки тъмната материя е пет пъти по-разпространена от нормалната, никога не са идентифицирани частиците, които я съставляват.
Крива на въртене на типичната спирална галактика М 33 (жълти и сини точки с барове за грешка) и предсказаната от разпределението на видимата материя (бяла линия). Несъответствието между двете криви се обяснява с добавянето на ореол от тъмна материя около галактиката. Кредит: Public domain / Wikipedia
В продължение на 40 години физиците изграждат сложни детектори с тази цел. Каквито и да са частиците на тъмната материя, Земята би трябвало да прихване някои от тях, докато се движи през Млечния път. Повечето от тези експерименти търсят слабо взаимодействащи масивни частици, наричани накратко WIMP. Освен чрез гравитацията, тези хипотетични частици биха усетили и слабата ядрена сила - една от четирите фундаментални сили на природата. Това означава, че WIMP, ако съществуват, трябва да взаимодействат с атомни ядра. Затова физиците наблюдават отблизо големи вани с гъста течност, надявайки се да открият предупредителния проблясък на частица тъмна материя, която се сблъсква с ядро в някоя от тях. Въпреки все по-креативните експерименти и разширяването на търсенето на нови видове потенциална тъмна материя, истинско откритие все още не е направено.
Но неуспехът в намирането на тези частици досега може да ни насочи към една полезна, макар и неудобна истина за природата на тъмната материя, разказва Катрин Фрийз (Katherine Freese) от Тексаския университет в Остин. Възможно е тя изобщо да не усеща слабата сила, в който случай гравитацията предлага единствената връзка с нормалната материя. Този сценарий е наречен "кошмарен", тъй като гравитацията е толкова слаба в мащаба на отделните частици, че откриването ѝ става почти невъзможно. И все пак Фрийз го приема като причина да се замислим отново: ако не можем да открием тъмната материя, тогава може би е време да преразгледаме предположенията си за начина, по който тя е създадена, с надеждата, че това може да предложи нови идеи за това как се проявява тъмната материя днес.
"Хората винаги предполагат, че всичко е създадено по едно и също време в един голям взрив, но кой знае дали това е така?", коментира тя.
През февруари Фрийз и колегата ѝ Мартин Уинклър (Martin Winkler) изказват предположението, че е имало втори голям взрив в седмиците след нормалния голям взрив. Те го наричат "тъмен" Голям взрив, тъй като той би създал тъмна материя в процес, различен от този, при който са се появили познатите ни частици и сили.
Това може да звучи абсурдно, но има основателни причини да смятаме, че сме разбрали погрешно какво се е случвало в най-ранната Вселена - включително какво изобщо разбираме под голям взрив.
Какво е представлявал Големият взрив?
Всъщност Фред Хойл, противник на космологията на Големия взрив, е измислил този термин през 1949 г., очевидно за да осмее идеята, че цялата материя и енергия са се появили в един момент. Тази безкрайно гореща и плътна точка, според поддръжниците, постепенно се е разширила в огромната и разнообразна Вселена, която виждаме около нас днес.
Колкото и невероятно да е изглеждало това на Хойл, през 60-те години на ХХ век физиците откриват категорични доказателства за Големия взрив. Те откриват море от радиация, наречено космически микровълнов фон (CMB), което може да се обясни само с разширяване и охлаждане на Вселената.
Но моделът на Големия взрив скоро се сблъсква с проблеми. Температурата на CMB е изключително равномерна в цялото нощно небе. Подобно на студената вода, която се разпространява в гореща баня, е необходимо време, за да може фотоните - частиците, които опосредстват електромагнитната сила - да изравнят температурата на CMB в целия космос. Но от Големия взрив досега не е минало достатъчно време, за да се изравнят областите в противоположните краища на Вселената. За да разрешат тази загадка, физиците добавят рязко разширяване след Големия взрив, наречено космическа инфлация, за да изгладят температурните колебания.
Космическата инфлация е фазов преход, подобен на промяната на енергията, която се случва, когато чайникът ви превръща водата в пара. Оттогава физиците са осъзнали, че фазовите преходи биха могли внезапно да променят характера на ранната Вселена по много други начини. Смята се, че подобни космически промени са създали фундаментални частици от енергията на празното пространство-време, подобно на водните капки, образуващи се в гъста мъгла, и са отделили четирите природни сили от предшестващата ги единна сила. Междувременно се предлагат по-спекулативни фазови преходи, за да се обяснят загадки като тъмната енергия - неизвестната сила, която кара Вселената да се разширява все по-бързо.
Мехурчета се сблъскват в симулация на рязък фазов преход. Кредит: David J. Weir
В днешно време повечето космолози не намират смисъл от неясната представа за големия взрив в началото на времето. Вместо това на преден план излизат фазовите преходи. "Горещият голям взрив" е общият термин, който сега се използва за възловите серии от енергийни промени, случили се след инфлацията.
"Старата школа на космологията на Големия взрив бе изместена от това, което сега се нарича инфлационна космология", разказва Кай Шмиц (Kai Schmitz) от Университета в Мюнстер, Германия, но подробностите за този нестабилен и колебаещ се ранен период все още не са изяснени. "Все още има голяма свобода при сглобяването на различни съставки", коментира Кай Шмиц.
Като се има предвид тази свобода, добавянето от Фрийз и Уинклър на още един голям взрив към микса - образно казано, включването на чайника - може би не е чак такъв гигантски скок на вярата, какъвто може да изглежда на пръв поглед.
Тъмният голям взрив става правдоподобен, тъй като частиците, които създава, влияят на Вселената, която виждаме, само чрез гравитацията.
"Предположихме, че има два сектора на Вселената", обяснява Фрийз - един, който създава частиците в Стандартния модел на физиката на частиците, нашата най-добра теория за частиците и техните взаимодействия, и един, който създава тъмната материя.
Според Фрийз, доколкото тъмният Голям взрив се случва в рамките на един месец след горещия Голям взрив, влиянието му върху структурата на галактиките и клъстерите, които наблюдаваме днес, е минимално. "Може да сте абсолютно сигурни, че не се обърква стандартната еволюция на космологията", отбелязва тя.
Що се отнася до видовете тъмна материя, които би създал тъмният Голям взрив, изчисленията на Фриз и Уинклер показват, че биха могли да се образуват поне три различни вида частици тъмна материя, всичките са странни, но някои дори по-странни от останалите. "Най-тежките от тях са много странни", обяснява Фрийз.
За да се получат най-масивните частици, фазовият преход трябва да е рязък, което създава разширяващи се мехурчета, които трансформират системата от едно състояние в друго. Когато тези мехурчета се сблъскат, те освобождават енергията си. Това прилича на съскащия шум, който чувате, когато чайникът започва да кипи и се появяват хиляди малки мехурчета. При този вид тъмен Голям взрив мехурчетата са толкова високоенергийни, че е възможно да се получат частици с маса 10 трилиона пъти по-голяма от тази на протона. За да отразят чудовищните размери на тези частици тъмна материя, Фрийз и Уинклер ги наричат "даркзила" - като заигравка с името на измисленото японско чудовище. (в превод "тъмна Годзила")
От друга страна, ако фазовият преход е постепенен, тогава тъмният Голям взрив произвежда по-леки частици. Първият вид такива частици са аналогични на WIMP, които традиционните експерименти с тъмна материя търсят. Тези тъмни WIMP-и биха взаимодействали с тъмни версии на фундаменталните природни сили, като например тъмен електромагнетизъм, който създава тъмни фотони. Ако тези тъмни сили не съществуват, тогава тъмните WIMP вече няма да могат да балансират енергията си чрез поглъщане и излъчване на тъмни фотони. Вместо това ще се получи една особено зловещо звучаща частица, наречена тъмен канибал. Без никакви природни сили, които да поддържат равновесието, тези частици биха се поглъщали взаимно при всеки сблъсък. "Това са някои от възможностите. Вероятно има и други", отбелязва Фрийз.
Не за първи път се предлага скрит сектор от тъмни частици. Тъмните фотони и стерилните неутрино например отдавна са предлагани като кандидати за тъмна материя, които усещат само силата на гравитацията. Няколко изследователи вече предполагат създаването на тъмна материя и чрез сблъскващи се мехурчета при фазови преходи. Други използват фазовите преходи, за да обяснят създаването на тъмна материя от първични черни дупки или такива особени явления като "кваркови късчета".
"Ако отидете в сървъра за препринтиране arXiv, ще видите много предложения за фазови преходи", разказва Шмиц. "Особеното в предложението [на Фрийз и Уинклър] е, че техният тъмен сектор е изключително тъмен", което означава, че няма нищо друго освен гравитация, която да свързва светлата и тъмната страна на Вселената.
Това отделяне само по себе си поражда въпроси, коментира Шмиц, тъй като не е ясно откъде идва енергията, необходима за предизвикване на тъмния Голям взрив. Според бръснача на Окам по-простите хипотези винаги са за предпочитане. "Защо да има два големи взрива, когато един е достатъчен?", възразява Шмиц.
Засега WIMP остават водещ кандидат за тъмна материя, посочва Чамкаур Гаг (Chamkaur Ghag) от Университетския колеж в Лондон.
"Вероятно ще мине поне още едно десетилетие, преди WIMP да бъдат изключени като предпочитана теория", смята изследователят. Въпреки това Гаг е отворен за по-необичайни алтернативи, като например втори Голям взрив. "На пръв поглед в теорията няма нищо лошо. Въпросът е дали тя е надеждна и дали може да бъде проверена."
Фрийз смята, че отговорът е "да". Тя казва, че сблъскващите се мехурчета от фазови промени, свързани с тъмния Голям взрив, биха оставили ясен отпечатък от пулсации в пространство-времето, наречени гравитационни вълни. Тя дори предполага, че може би вече сме видели тези вълни.
Първото откриване на гравитационни вълни бе обявено през 2016 г. от Лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO). Оттогава досега са регистрирани повече от 100 други. Всяка от тях може да се проследи до сблъсък между два свръхплътни небесни обекта, като черни дупки и неутронни звезди. Но има и друг вид сигнал за гравитационни вълни: фонов шум, който по форма е подобен на космическия микровълнов фон. Той би могъл да се породи от много отдалечени сблъсъци на черни дупки, които не могат да се различат един от друг. Или пък може да е създаден от фазови преходи в ранната Вселена.
През юни астрономите от Северноамериканската нано-херцова обсерватория за гравитационни вълни (NANOGrav) откриват това фоново бръмчене на гравитационни вълни. Сигналът все още е твърде слаб, за да се определи неговият произход, въпреки че сигурният залог е за сблъскващи се черни дупки, при положение че знаем, че те съществуват. Тъмният голям взрив обаче е надеждно алтернативно обяснение - казва Фрийз. "Мащабите [на енергията], за които говорим за тъмния Голям взрив, са идеални за мехурчести сблъсъци, които биха дали сигналите на NANOGrav", отбелязва Фрийз. Съществува "огромен потенциал" в изследването на всички видове фазови преходи в ранната Вселена, смята Шмиц, който е част от консорциума NANOGrav.
"[Тъмният голям взрив] не може да бъде изключен въз основа на съществуващите данни".
NANOGrav работи чрез измерване на леки смущения в периодичните сигнали на въртящи се звезди, наречени пулсари. Внимателният анализ на времето на пристигане на тези сигнали може да издаде характеристиките на фона на гравитационните вълни, давайки сведения за техния произход. Ако в гравитационното бръмчене по цялото небе се появят вариации, наречени анизотропии, това би означавало, че причината за това са сблъскващи се фонови дупки, а не фазови преходи.
"Ако имаме късмет, такова откриване на анизотропии може да се окаже зад ъгъла, само след няколко години", казва Шмиц.
В търсене на космическата инфлация
Ако обаче гравитационно-вълновия фонов шум остане упорито еднороден, то вероятно е сигнал от фазови преходи в ранната Вселена. И все пак този сигнал би могъл да се състои от много различни, припокриващи се фазови преходи, които трябва да бъдат разграничени. Това би могло да включва инфлацията или фазовите преходи, които са формирали силите и частиците на Стандартния модел.
Например една такава енергийна промяна е настъпила, когато полето на Хигс, което дава масата на всички частици, се е кондензирало.
"Може да има и други фазови преходи", обяснява космологът Киара Каприни (Chiara Caprini) от Женевския университет, Швейцария. "Не знаем какво се случва при по-високи енергии."
За да се разбере всичко това, има нужда от по-точни данни за гравитационните вълни. NANOGrav обединява усилията си с други масиви за измерване на времето на пулсарите по света, като например Square Kilometre Array. Лазерната интерферометрична космическа антена на Европейската космическа агенция също ще бъде изстреляна през 2037 г. Лазерните лъчи, изпращани между трите космически апарата, летящи във формация, ще измерват гравитационните вълни с изключителни подробности. Заедно, казва Фрийз, тези телескопи ще могат да наблюдават предсказаните сигнали от тъмния Голям взрив и дори да определят дали "тъмните годзили" или тъмните WIMP са по-вероятните кандидати за тъмна материя.
"Трябва да следим данните и да видим дали ще се получи съответствие", се надява Фрийз.
Когато фоновите гравитационни вълни бъдат поставени на фокус, с толкова много възможни фазови преходи на масата, космолозите ще си имат много работа, ще трябва да направят солидни прогнози, за да разграничат нашата най-далечна, най-тъмна история на произхода.
Справка: Dark Matter and Gravity Waves from a Dark Big Bang
Katherine Freese, Martin Wolfgang Winkler https://arxiv.org/abs/2302.11579
Източник: A second big bang? The radical idea rewriting dark matter’s origins, New Scientist
Още по темата
Космос
Пулсарите ще разкрият откъде идва фоновото гравитационно бръмчене на Вселената
Физика
Помни ли пространство-времето? Изследване на гравитационната памет
Космос
5 начина, по които откритието на гравитационно-вълновия фон променя разбирането ни за Вселената
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари