Что, если мы всё неправильно понимали о тёмной материи, задаётся вопросом учёный

«Я думаю, это естественно — сделать перерыв и задаться вопросом, не ошибаемся ли мы в корне».

По мнению учёных, тёмная материя может состоять из крошечных чёрных дыр, образовавшихся в результате коллапса так называемых «тёмных барионов». Или же тёмная материя может представлять собой частицы, созданные в результате излучения Хокинга на космическом горизонте.

Вот что всё это значит.

Тёмная материя — это вещество, которое, по-видимому, составляет около 27 % нашей Вселенной, в то время как «обычная» материя составляет всего 5 % нашей Вселенной. Учёные точно знают, что тёмная материя существует, благодаря некоторым необычным эффектам, наблюдаемым в космосе, которые не может объяснить обычная материя. Однако никто не знает, из чего состоит тёмная материя.

На протяжении десятилетий главным кандидатом были вимпы, или слабо взаимодействующие массивные частицы. Но по мере того, как поиск вимп начинает давать сбои, а эксперименты продолжают приносить пустые результаты, появляются новые теории тёмной материи. Среди них — две новые модели, разработанные Стефано Профумо, профессором теоретической физики Калифорнийского университета в Сан-Диего. Его идеи предлагают совершенно иной взгляд на проблему тёмной материи.

«Я считаю, что мы очень старались рассматривать тёмную материю как частицу, но пока у нас ничего не вышло, — сказал Профумо в интервью Space.com. — Я думаю, что вполне естественно сделать перерыв и взглянуть на всё со стороны, задаваясь вопросом, не ошибаемся ли мы в корне».

В одной из своих работ Профумо рассуждает о том, может ли «тёмный сектор» быть источником тёмной материи. Под «тёмным сектором» он подразумевает не то, как наша вселенная управляется тёмной материей и тёмной энергией. Вместо этого он говорит о своего рода «зеркальном мире» частиц, которые взаимодействуют посредством сил, недоступных для материи нашего мира.

Профумо говорит, что эта концепция не такая странная, как может показаться. Например, он подчёркивает, что кварки внутри протонов и нейтронов связаны между собой сильным ядерным взаимодействием.

«Но затем мы берём электроны, которые абсолютно невосприимчивы к сильному взаимодействию. Они его вообще не чувствуют. Для них сильное взаимодействие — это тёмная материя, — сказал Профумо. — Это обычное явление в Стандартной модели».

Тёмные барионы в этом тёмном секторе были бы эквивалентом протонов или нейтронов, за исключением того, что они могли бы содержать более трёх кварков, говорит Профумо, и поэтому были бы более массивными.

Следующий шаг в теории исследователя был подсказан его сыном-подростком, который спросил, может ли достаточно массивная частица схлопнуться под действием собственной гравитации и образовать мини-чёрную дыру. Тёмные барионы в тёмном секторе, если он существует, могут быть достаточно массивными, чтобы сделать именно это. Тогда во Вселенной может быть много таких крошечных чёрных дыр, которые в совокупности образуют то, что мы называем тёмной материей.

«Я работал с людьми, которые очень глубоко задумывались о тёмном секторе, эквивалентном сильному взаимодействию, но они никогда не продвигались так далеко, как в случае с чёрными дырами, — сказал Профумо. — Но я действительно считаю, что это возможность, которую нам нужно рассмотреть.»

Чёрные дыры, большие или маленькие, окружены невидимой границей, называемой горизонтом событий, внутри которой гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться наружу. Однако горизонт событий «горячий» — частицы, возникающие на границе в результате квантовых эффектов, могут излучаться в виде того, что мы называем излучением Хокинга (в честь известного физика Стивена Хокинга, которому приписывают эту идею). Со временем излучение Хокинга удаляет массу и энергию из чёрной дыры, заставляя её постепенно испаряться. Для сверхмассивных чёрных дыр это заняло бы невообразимо много времени — по меньшей мере 10^100 лет. Однако чёрные дыры самых маленьких размеров — так называемого планковского масштаба — могут испариться за время, меньшее, чем возраст Вселенной.

Однако если мы сделаем определённые допущения относительно природы этих чёрных дыр, образовавшихся в результате коллапса тёмных барионов, то их излучение Хокинга может быть подавлено, что предотвратит их испарение и позволит им действовать как тёмная материя.

Между тем другая идея Профумо также основана на концепции излучения Хокинга, но совершенно в ином ключе.

Мы живём во Вселенной, которая расширяется с ускорением, унося с собой области космоса, настолько далёкие от нас, что их свет никогда не достигнет нас. Это приводит к появлению границы, или космического горизонта, который определяет край видимой Вселенной. За этим горизонтом может находиться гораздо больше объектов, но мы их никогда не увидим.

Схематическое изображение истории Вселенной и положения космического горизонта. Квантовые эффекты на горизонте могли привести к образованию тёмной материи в ранней Вселенной. (Изображение предоставлено Стефано Профумо.)

А теперь давайте вернёмся в прошлое, к моменту Большого взрыва. Вселенная возникла в результате всплеска экспансивной энергии, известного как инфляция. Этот инфляционный период длился ничтожную долю секунды. Однако некоторые модели предполагают, что за инфляцией последовал второй кратковременный всплеск экспансивной энергии.

«По сути, это период мини-инфляции, — сказал Профумо. — Это может быть связано с инфляцией и тем, как она заканчивается, или с аналогичными причинами.»

Этот второй период расширения создал космические горизонты, подобные тому, который сегодня ограничивает видимую Вселенную. Однако видимая Вселенная сегодня имеет диаметр 93 миллиарда световых лет с Землёй в центре (понятие «видимая» Вселенная сильно зависит от наблюдателя — наблюдатели в разных частях космоса будут видеть разный объём наблюдаемой Вселенной, центром которой является их точка наблюдения). Огромный размер видимой Вселенной означает, что температура на космическом горизонте очень низкая, потому что само пространство стало очень обширным.

Однако во время второго всплеска инфляции Вселенная всё ещё была невероятно компактной, а температура на горизонте событий была чрезвычайно высокой.

Профумо понял, что эти ранние космические горизонты могут действовать как горизонты событий. На самом деле эта концепция немного похожа на чёрную дыру, но вывернута наизнанку, потому что всё, что находится за космическим горизонтом, навсегда отделено от нас, как и всё, что находится внутри горизонта событий чёрной дыры. И точно так же, как излучение Хокинга исходит из горизонта событий чёрной дыры, Профумо предполагает, что космический горизонт может испускать излучение Хокинга и что энергия этого излучения может преобразовываться в некую частицу тёмной материи.

«Возможно, [тёмная материя] устроена именно так, — сказал Профумо. — На заре времён Вселенная вела себя как чёрная дыра, и в неё попадало что-то, потому что Вселенная испарялась так же, как испаряется чёрная дыра».

Это может показаться несколько произвольным, поскольку расположение космического горизонта зависит от местоположения наблюдателя. Однако, поскольку Вселенная однородна (одинакова в каждой точке на больших масштабах) и изотропна (одинакова во всех направлениях) — два утверждения, которые мы называем космологическим принципом, — то любые два наблюдателя должны видеть одинаковое количество тёмной материи, где бы они ни находились.

Профумо не утверждает, что тёмная материя обязательно должна быть одной из этих двух составляющих. На самом деле тот факт, что он разработал две теории, говорит о том, что он не хочет привязывать себя к какой-то конкретной гипотезе.

«Цель игры — понять, чем может быть тёмная материя, и охватить как можно более широкую область», — сказал Профумо.

Всё, что мы знаем наверняка о тёмной материи, — это то, что она взаимодействует посредством гравитации, и всё же, несмотря на свою загадочность, она играет важнейшую роль в том, как материя во Вселенной собирается в галактики. Прошло почти сто лет с тех пор, как Фриц Цвикки впервые предположил существование тёмной материи, и около полувека с тех пор, как Вера Рубин подтвердила необходимость тёмной материи в нашей Вселенной, но мы по-прежнему ничего о ней не знаем. Эксперименты могут помочь определить свойства тёмной материи, поэтому чем больше у нас идей, тем выше вероятность, что мы сможем соотнести одну из них с наблюдаемыми свойствами тёмной материи.

Гипотеза тёмного сектора и чёрных дыр Профумо была опубликована 9 мая в журнале Physical Review D, а его модель космического горизонта — в том же журнале 8 июля.

Дополнительная информация:

Stefano Profumo, Dark matter from quasi–de Sitter horizons, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/vmw2-4k77

Stefano Profumo, Dark baryon black holes, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/PhysRevD.111.095010

Источник: University of California - Santa Cruz Rutab.net