Колебания пространства-времени: тёмная материя могла родиться из гравитационных волн

Физики предложили новый сценарий возникновения скрытой массы Вселенной

Тёмная материя — одна из главных загадок современной космологии. Мы знаем, что она есть, но не знаем, из чего состоит. Видимая материя — звёзды, планеты, газ — составляет всего около четырёх процентов Вселенной. Остальное приходится на тёмную материю и тёмную энергию. Учёные ищут ответ уже десятки лет. И, похоже, нащупали новое направление.

Исследователи из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга и университета Суонси выдвинули гипотезу: причиной появления тёмной материи могли стать гравитационные волны, которые бушевали в ранней Вселенной. Сразу после Большого взрыва пространство сотрясали мощнейшие колебания. Согласно новой теории, эти волны могли трансформироваться в частицы.

Речь идёт о фермионах — классе частиц, к которому относятся привычные электроны и протоны. Учёные подсчитали: при определённых условиях гравитационные волны способны порождать такие частицы. Со временем, по мере расширения и остывания Вселенной, эти частицы накапливались и сформировали ту самую невидимую массу, которую мы сегодня обнаруживаем только по гравитационному воздействию.

Происхождение тёмной материи — вопрос, который физики пытаются решить с середины прошлого века. И каждая новая космологическая модель либо приближает нас к ответу, либо добавляет новых вопросов.

Гипотеза о гравитационном рождении частиц не единственная. Недавно другая группа учёных предположила, что тёмная материя состоит из первичных чёрных дыр — микроскопических объектов, возникших в первые мгновения после Большого взрыва. Теперь у нас есть ещё один сценарий. И он имеет преимущество: гравитационные волны оставляют след, который можно зарегистрировать.

Детектирование гравитационных волн сегодня — реальность. Обсерватории LIGO и Virgo ловят колебания от слияния чёрных дыр и нейтронных звёзд. Если реликтовые гравитационные волны действительно существуют, их тоже можно попытаться поймать. Правда, нужны приборы гораздо чувствительнее нынешних. Но технологии не стоят на месте.

Физика частиц подсказывает: в первые мгновения после рождения Вселенная находилась в инфляционной стадии. Она расширялась невероятно быстро. Именно в этот период гравитационные волны были максимально мощными. Если они породили фермионы, которые стали тёмной материей, то в современном космосе мы должны наблюдать определённое распределение скрытой массы. Это можно проверить.

Конечно, пока это только гипотеза. Для её подтверждения нужны эксперименты и наблюдения. Но сам подход — связать происхождение тёмной материи с гравитационными волнами — выглядит логично. В конце концов, гравитация — единственное, через что тёмная материя проявляет себя. Почему бы ей не быть и источником её рождения?

Учёные продолжают обсуждать механизмы. Ранняя Вселенная была местом экстремальных условий. Температуры и плотности энергии там запредельные. Именно в таких условиях, по расчётам, гравитационные волны могли вести себя как частицы — рождать материю из чистой энергии поля.

Если гипотеза подтвердится, это изменит наше понимание космологии. Тёмная материя перестанет быть аномалией. Окажется, что она — естественное следствие фундаментальных законов физики, работающих на самых ранних этапах существования Вселенной.

Пока остаётся ждать новых данных. Детекторы гравитационных волн совершенствуются. Возможно, уже в ближайшие годы мы получим ответ, из чего на самом деле состоит большая часть нашего мира.