Физики-теоретики открыли «темный сектор» Вселенной

В ранней Вселенной, вероятно, существовал свой "темный сектор", состоявший из сверхлегких частиц темной материи. Эти частицы помогли образоваться первым черным дырам — к такому выводу пришла команда физиков-теоретиков из Брукхейвенской национальной лаборатории.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, а коротко о нем рассказывает Phys.org. Физики-теоретики в своей работе предприняли попытку объяснить, как образовались сверхмассивные черные дыры. Последние наблюдения показали: такие объекты сформировались во Вселенной гораздо раньше, чем считалось. Вопрос в том, как это произошло?

На сегодня науке известно два способа, при помощи которых черные дыры приобретают свою массу. В первом случае это происходит за счет поглощения космического материала, который попадает внутрь черной дыры. Однако существует предел скорости, с которой материя может накапливаться в черных дырах в результате такой аккреции.

Второй способ представляет собой галактические столкновения, в результате которых две черные дыры могут слиться в одну. Но ведь в ранней Вселенной галактики только начинали формироваться, поэтому черные дыры не могли набирать массу ни одним из описанных способов. В новом исследовании физики предположили, что формированию черных дыр поспособствовал некий недостающий элемент. А главным кандидатом на эту роль в работе названы сверхлегкие частицы темной материи, которые группировались в определенном "темном секторе" Вселенной.

"Мы предположили, что частицы в "темном секторе" могут подвергаться фазовому переходу, который позволяет материи очень эффективно коллапсировать в черные дыры, — говорит соавтор исследования Питер Дентон. — Когда температура Вселенной достигает определенной точки, давление может внезапно упасть до крайне низкого уровня, позволив гравитации разрушить материю. Наше текущее понимание известных нам частиц говорит о том, что обычно такой процесс во Вселенной не происходит".

Однако в ранней Вселенной столь драматичный фазовый переход, вероятно, был возможен. Он и мог быть причиной коллапса, в результате которого формировались массивные черные дыры. Ученые даже разработали прогноз, чтобы их последователи в будущем смогли найти такие сигналы в виде гравитационных волн в ожидаемом частотном диапазоне.

К сожалению, сейчас эту теорию проверить экспериментальным путем невозможно, так как современное оборудование недостаточно чувствительно для поиска подобных гравитационных волн. Возможно, инструменты следующего поколения помогут такие сигналы обнаружить.

К слову, команда из Брукхейвена также разработала модель "темного сектора" Вселенной, в котором пока еще не обнаруженные экспериментально сверхлегкие частицы присутствуют в огромном количестве, но при этом редко взаимодействуют между собой. По прогнозам, частицы сверхлегкой темной материи могут быть на 28 порядков легче протона.

Стоит также отметить, что темная материя давно учитывается при космологическом моделировании, хотя напрямую она еще никогда не наблюдалась. Несмотря на отсутствие "вещественных" доказательстве ее существования, физики считают, что темная материя составляет большую часть всей материи Вселенной. На это указывают, в частности, зафиксированные многими наблюдениями гравитационные эффекты, которые косвенно указывают на присутствие темной материи.

"Частота взаимодействий между известными нам частицами предполагает, что материя в том виде, в каком мы ее знаем, не могла бы эффективно коллапсировать в черные дыры, — говорит Дентон. — Но если бы существовал "темный сектор" со сверхлегкой темной материей, то в ранней Вселенной могли появиться подходящие условия для очень эффективной формы такого коллапса".