Две космологические загадки продолжают волновать ученых и любителей науки. Первая – это детальное понимание того, как возникла Вселенная. Вторая – природа темной материи, вещества, которое, как считается, гораздо более распространено, чем все звезды и галактики во Вселенной. В работе астрофизиков Кэтрин Фриз и Мартина Вольфганга Винклера под эгидой Физического факультета Техасского университета в Остине исследуется возможная сложная связь между этими двумя явлениями. И выдвигается предположение, что в начале существования Вселенной было не один, а два Больших взрыва. Чтобы понять последствия этой новой интересной идеи, мы должны сначала рассмотреть преобладающее понимание как Большого взрыва, так и темной материи...

В начале начал

Согласно общепринятой теории начала Вселенной, через крошечную долю секунды после ее возникновения наступил период, называемый “инфляцией”. Во время инфляции Вселенная расширялась очень быстро – быстрее скорости света. Инфляция была вызвана существованием формы энергии, называемой “энергией вакуума”. Инфляция продолжалась очень короткое время, гораздо меньше секунды, в течение которого наша видимая Вселенная расширилась от размеров меньше атома до размеров футбольного стадиона.

Когда период инфляции закончился, энергия, стимулировавшая расширение, изменила форму и создала материю, которая превратилась в ту Вселенную, которую мы видим сегодня. Момент, когда Вселенная перешла из состояния, управляемого инфляцией, в состояние, заполненное горячей и плотной плазмой, является началом того, что ученые называют Большим взрывом.

Другой интересный феномен – темная материя, предполагаемая субстанция, которая, если она существует, объясняет некоторые наблюдаемые астрономические аномалии. Галактики, как и люди, состоят из обычной материи, и мы можем использовать законы физики, чтобы предсказать, как они должны двигаться. Однако, когда астрономы изучают небеса, они обнаруживают некоторые сюрпризы. Один из них заключается в том, что галактики вращаются быстрее, чем ожидалось. Второй пример – некоторые скопления галактик, которые мы наблюдаем, попросту не должны существовать. Поскольку отдельные галактики движутся так быстро, что по всем законам физики не могут подвергаться гравитационному притяжению своих соседей.

Хотя существует несколько возможных объяснений этих и других астрономических загадок, большинство ученых считают, что помимо видимой материи звезд и галактик существует и другая форма материи, называемая темной материей. Если темная материя существует, то она в пять раз более распространена, чем обычная, и эта дополнительная масса оказывает дополнительную гравитацию, что объясняет почему галактики могут вращаться быстрее и двигаться быстрее, чем ожидается.


Единственный способ, с помощью которого исследователи делают предположение о существовании темной материи, – это то, как она влияет на близлежащую обычную материю посредством гравитационного притяжения. И пока нет никаких доказательств того, что темная материя взаимодействует каким-либо другим образом.

Два Больших взрыва

Согласно преобладающей теории происхождения Вселенной, и обычная, и темная материя были созданы одновременно, менее чем через секунду после начала существования Вселенной. Считается, что в результате серии этапов энергия, управлявшая инфляцией, превратилась в материю и темную материю.

Однако в упомянутой работе поднимается другой вопрос. Учитывая, что обычная и темная материя взаимодействуют только посредством гравитации, возможно, в ранней Вселенной они появились не одновременно. В исследовании предполагается, что если энергия инфляции в конечном итоге перешла в обычную материю, то темная материя могла иметь другое происхождение. Согласно новой теории, существовала вторая форма энергии, похожая на энергию вакуума, которая вызвала инфляцию, но эта новая энергия была темной энергией вакуума, которая и стала источником темной материи.

Если верно то, что обычная энергия вакуума и темная энергия вакуума отличаются друг от друга, вовсе не обязательно, чтобы они одновременно превращались в частицы. Действительно, новая теория предполагает, что вместо того, чтобы быть созданной через долю секунды после возникновения Вселенной, темная энергия вакуума могла создать частицы темной материи спустя месяц. Это очень маленький срок по сравнению со временем существования Вселенной, но очень большой по сравнению с временными масштабами, задействованными в физике частиц.

Проверка идеи

Можно ли проверить эту новую идею? Если темная материя и обычная материя взаимодействуют только посредством гравитации, то десятки экспериментов с темной материей, которые проводятся в настоящее время, потерпят неудачу. Все они основываются на том, что темная материя и обычная материя испытывают еще какое-то взаимодействие помимо гравитации. Таким образом, если новая теория верна, то результаты экспериментов разочаруют экспериментаторов.

Однако когда энергия темного вакуума переходила в частицы темной материи, это изменение энергии должно было потрясти структуру пространства и времени, создав гравитационные волны, которые заполнили бы Вселенную. По крайней мере, метафорически это выглядело бы как “гул” в структуре пространства.

После некоторых очень точных экспериментов уже сообщалось об обнаружении космического гула, однако следует проявить разумную осторожность. Существует несколько астрономических явлений, которые могут генерировать подобный гул. Поэтому недавнее обнаружение гула не обязательно является подтверждением новой теории. Для этого потребуется больше данных и гораздо более сложный анализ. Однако тот факт, что существуют приборы, способные обнаружить нужный тип гравитационных волн, позволяет надеяться, что исследователи смогут подтвердить или опровергнуть эту идею в ближайшие несколько лет.