Предлагаемая новая теория предполагает, что темная материя могла возникнуть еще до Большого взрыва. Она сформировалась в результате взаимодействия частиц в период интенсивного и быстрого расширения, который называется «горячая инфляция». Новая теоретическая модель демонстрирует соответствие наблюдаемому в современной Вселенной количеству темной материи. По мнению ученых, некоторые аспекты этой теории можно будет подтвердить или опровергнуть с помощью будущих наблюдений за космическим микроволновым фоном.
Стандартная космологическая теория утверждает, что начало существования Вселенной положил Большой взрыв, в результате которого возникли обычная материя, темная материя и энергия. После этого космического события последовал краткий и стремительный период инфляции, в ходе которого объем Вселенной увеличился во 10 септиллиардов раз, всего лишь примерно через 10 -33 секунды после Большого взрыва.
Все больше космологов придерживаются мнения, что инфляционная эпоха предшествовала Большому взрыву. Это убеждение связано с пересмотром устоявшихся моделей, где инфляция представляется как процесс, не связанный с сингулярностью Большого взрыва. Согласно этой гипотезе, на заре существования Вселенной плотность материи и энергии была настолько велика, что ее начальное состояние невозможно описать. После этого последовал крайне короткий период стремительного расширения.
Причины, вызвавшие эту инфляцию, остаются неясными для ученых, хотя существует предположение, что энергия, необходимая для этого процесса, могла быть заложена в самой структуре пространства-времени. Согласно одной из гипотез, энергия, вызвавшая инфляцию до Большого взрыва, могла образоваться в результате распада предшествующей Вселенной.
После окончания инфляции энергия, поддерживающая ее, трансформировалась бы в вещество и излучение, спровоцировав Большой взрыв. В течение секунды Вселенная приняла бы облик изначальной смеси света и чрезвычайно горячих частиц (с температурой около 10 миллиардов градусов Цельсия). В последующие минуты протоны и нейтроны начали бы взаимодействовать, формируя первые элементы – преимущественно водород и гелий, а также незначительное количество лития и бериллия. Этот период получил название нуклеосинтез.
Согласно недавним гипотезам, темная материя могла возникнуть в период инфляции, предшествовавшей Большому взрыву. « В большинстве моделей все, что формируется в процессе инфляции, впоследствии увеличивается в размерах из-за экспоненциального расширения Вселенной, что приводит к его существенному уменьшению », — поясняет Кэтрин Фриз, ведущий автор свежего исследования, в блоге Техасского университета в Остине. « Особенность нашей модели состоит в успешном формировании темной материи в процессе инфляции », — утверждает она.
Современные наблюдения подтверждают наличие потока темной материи
Новая теория, получившая название «горячая инфляция через замораживание» (WIFI), предполагает, что в период космической инфляции, предшествовавшем Большому взрыву, формировалось интенсивное, высокоэнергетическое излучение («горячая инфляция»), создающее подобие тепловой ванны, обеспечивающей взаимодействие между частицами. Ранее считалось, что инфляция обусловлена гипотетическими частицами – инфлатонами. В рамках сценария «горячей инфляции» инфлатоны рассеивают часть своей энергии в виде излучения, которое, в свою очередь, генерирует частицы темной материи посредством процесса, именуемого «ультрафиолетовым замораживанием». Это указывает на то, что взаимодействие частиц в горячей среде со временем привело бы к формированию темной материи.
Ученые полагают, что благодаря этому процессу могло образоваться значительное количество темной материи, которое со временем достигло астрономических масштабов, наблюдаемых сегодня во Вселенной. « Наше исследование было посвящено производству темной материи, однако WIFI указывает на возможность более широкого применения, в частности, для создания других частиц, которые могли оказать значительное влияние на эволюцию ранней Вселенной », — считает Бармак Шамс Эс Хаги, один из авторов исследования, которое было опубликовано в журнале . «Это создает перспективы для дальнейших изысканий », — добавляет он.
Несмотря на отсутствие на данный момент способа экспериментальной проверки этой теории, ученые полагают, что в будущем станет возможным ее тестирование в ходе исследований космического микроволнового фона и других крупномасштабных структур. « В случае, если будущие исследования подтвердят гипотезу о горячей инфляции, это станет аргументом в пользу того, что темная материя образовалась в соответствии с предложенной моделью », — підсумував Габріеле Монтефальконе, співавтор дослідження.