Темная материя могла образоваться благодаря гравитационным волнам

Гравитационные волны могут быть ответственны за рождение темной материи на заре существования Вселенной — такую идею высказали физики-теоретики. Расчеты, описывающие неизвестный ранее механизм образования темной материи за счет так называемых стохастических гравитационных волн, опубликованы в Physical Review Letters.

Авторы исследования ищут ответ на фундаментальный вопрос физики элементарных частиц. Планеты, звезды и даже сама жизнь на Земле состоят из барионной материи. Однако на ее долю приходится лишь около 5% нашей Вселенной. Остальное невидимо, и, в частности, темная материя составляет примерно 27% всего сущего.

Тем не менее астрофизические наблюдения подтверждают существование темной материи: она пронизывает все мироздание, формирует галактики и крупнейшие из известных космических структур. Природа частиц, из которых она состоит, по-прежнему неизвестна, разобраться в этом призвано множество теорий и текущих экспериментов.

Гравитационные волны — это своего рода рябь пространства-времени, возникающая, как правило, в результате самых интенсивных и энергичных процессов во Вселенной, например при слиянии черных дыр или нейтронных звезд. В отличие от них, стохастические гравитационные волны порождаются иными явлениями, в которых не участвуют массивные космологические объекты.

Соответственно, их более слабый сигнал становится частью фонового шума от множества волн, пронизывающих нашу Вселенную. При этом они зачастую чрезвычайно стары. Многие породившие их явления происходили на самых ранних этапах развития Вселенной — например, так называемые фазовые переходы вещества по мере ее остывания после Большого взрыва или же первичные магнитные поля.

«В этой работе мы изучаем возможность частичного превращения гравитационных волн, которые, как полагают, были повсеместны в ранней Вселенной, в частицы темной материи. Это, по сути, новый, неизвестный ранее механизм рождения темной материи», — объясняет профессор Йоахим Копп из Майнцского университета имени Иоганна Гуттенберга, руководивший исследованием.

Авторы показали, что гравитационные волны вполне могли приводить к образованию безмассовых или почти безмассовых фермионов (к семейству фермионов относятся, в частности, электроны, протоны и нейтроны). Эти фермионы, возникшие в ранней Вселенной, обретали массу и формировали те частицы темной материи, которые существуют и поныне.

«Следующий шаг в развитии этого направления исследований — выйти за рамки наших аналитических оценок и провести численные расчеты, чтобы повысить точность предсказаний. Еще одно перспективное направление — изучение других возможных эффектов гравитационных волн в ранней Вселенной. Примером может служить механизм, способный объяснить известное различие в количестве частиц и античастиц», — заключил Копп.

Проверка этих теоретических выкладок наблюдениями — дело далеко не завтрашнего дня. За время своего движения по Вселенной стохастические волны изрядно ослабли, а частота их повысилась — настолько, что действующие приборы их просто не замечают. Ученые надеются на будущие интерферометрические детекторы, такие как Телескоп Эйнштейна и Cosmic Explorer. Их строительство намечено на 2030–2040 годы.