Новое исследование астрономов из Университета Миннесоты ставит под сомнение одну из ключевых догм современной космологии: тёмная материя рождается холодной. Учёные показали, что она могла появиться крайне горячей — почти со скоростью света — и всё равно успеть остыть до нужной температуры, чтобы сформировать галактики. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Почему тёмная материя должна быть холодной

Тёмная материя составляет около 85% всей материи Вселенной и в пять раз превосходит обычную (барионную) материю. Она не взаимодействует с электромагнитным излучением — поэтому невидима и не излучает, не поглощает и не отражает свет. Именно поэтому её так сложно обнаружить.

Самая популярная модель — ΛCDM (Лямбда-CDM) — предполагает, что тёмная материя «холодная»: частицы движутся гораздо медленнее скорости света. Это позволяет им образовывать гравитационные сгустки, вокруг которых затем собирается обычная материя и формируются галактики.

Горячая тёмная материя (частицы близки к скорости света) считалась невозможной: она слишком быстро разлетается и не даёт формироваться структурам галактического масштаба. Классический пример — низкомассовые нейтрино, которые в 1980-х годах были исключены как кандидаты именно по этой причине.

Новое происхождение: постинфляционное разогревание

Авторы предлагают альтернативный сценарий. Тёмная материя могла родиться чрезвычайно горячей во время постинфляционного разогревания — фазы сразу после инфляции, когда поле инфлатона распалось и превратилось в горячую плотную «суп» излучения и частиц.

«Тёмная материя знаменита своей загадочностью. Одно из немногих, что мы о ней знаем, — она должна быть холодной», — отметил руководитель исследования Стивен Хенрих из Школы физики и астрономии Университета Миннесоты. — «Поэтому последние четыре десятилетия большинство учёных считали, что тёмная материя рождается холодной в ранней Вселенной. Наши недавние результаты показывают, что это не так: тёмная материя может быть раскалённо-красной при рождении, но всё равно успевает остыть до того, как начнут формироваться галактики».

Ключевой момент — «разъединение» (decoupling): тёмная материя перестаёт сильно взаимодействовать с обычной материей и излучением, пока ещё очень горячая. После этого у неё остаётся достаточно времени, чтобы замедлиться и начать вести себя как холодная тёмная материя, помогая формировать первые галактики.

Возвращение старого кандидата

Этот сценарий воскрешает один из самых ранних и простых кандидатов — низкомассовые нейтрино. Они считались горячей тёмной материей и были отвергнуты, потому что мешали бы образованию структур. Теперь же учёные показывают: если нейтрино родились в нужный момент постинфляционного разогревания, они успели бы остыть и стать «холодными».

«Нейтрино стали классическим примером горячей тёмной материи, где формирование структур опирается на холодную тёмную материю», — отметил соавтор Кит Олив из того же университета. — «Удивительно, что похожий кандидат, если он родился именно в момент создания горячего Большого взрыва, мог остыть до такой степени, чтобы вести себя как холодная тёмная материя».

Что дальше

Команда планирует искать эти частицы на Земле — в экспериментах на ускорителях и в косвенных наблюдениях ранней Вселенной. Если гипотеза подтвердится, это может не только раскрыть природу тёмной материи, но и пролить свет на один из самых загадочных периодов космологии — постинфляционное разогревание.

Вкратце

Учёные показали: тёмная материя могла родиться горячей (почти со скоростью света) во время постинфляционного разогревания и всё равно успеть остыть до «холодного» состояния, необходимого для формирования галактик. Это воскрешает низкомассовые нейтрино как кандидата и может потребовать пересмотра стандартной модели ΛCDM. Открытие открывает новые пути поиска частиц тёмной материи и изучения ранней Вселенной.