Вязкая темная материя могла замедлять расширение Вселенной

Странная форма вязкой темной материи, на которую приходится большая часть материи во Вселенной, могла оказывать удивительный эффект на ее раннюю эволюцию — и сделать так, что рябь от Большого Взрыва будет проще обнаружить. Известно, что темная материя — это загадочная субстанция, которая составляет 80% от вещества в нашем мире, однако взаимодействует с обычной материей только гравитационно. На данный момент самым популярным кандидатом в темную материю считают вимпы (WIMP), слабо взаимодействующие массивные частицы, но десятилетия поисков этой частицы ни к чему не привели. WIMP также предсказывают конкретные вещи, которых мы не видим во Вселенной, вроде роя мини-галактик вокруг Млечного Пути.

Есть и другие кандидаты в темную материю. Например, Пол Шапиро из Университета Техаса в Остине и его коллеги ранее исследовали одну альтернативную форму темной материи, которая включает частицы, называемые бозонами, которые — в отличие от вимпов и обычного вещества — могут пребывать в одном квантовой состоянии. Это свойство может также позволять им слипаться в странное, вязкое состояние вещества — конденсат Бозе — Эйнштейна (БЭК), в котором популяция частицы ведет себя как единый квантовый объект.

Теперь Шапиро и его аспирант Буха Ли изучают, как эта форма темной материи могла повлиять на раннюю Вселенную.

Скачок роста

Космологи привыкли считать, что в первые моменты своего существования Вселенная пережила экспоненциальный скачок роста. Это расширение, которое протекало в первые щепки секунд после Большого Взрыва, называется инфляцией и должно было отправить релятивистскую рябь через пространство-время — первичные (или первобытные, называйте как хотите) гравитационные волны.

Физики думали, что наблюдают доказательства этих волн, когда работали с телескопом BICEP2 в 2013 году, но оказалось, что это не так. Но в начале этого года эксперимент LIGO увидел гравитационные волны сталкивающихся черных дыр, чем доказал, что такие волны действительно существуют.

В стандартной картине эти первичные гравитационные волны должны быть настолько малы, что LIGO никогда их не увидит. «В нашей модели происходит нечто совершенно другое, — говорит Шапиро. — Темная материя меняет свое поведение, если мы уходим назад во времени».

Хотя вязкая темная материя ведет себя точно так же, как вимпы в наше время, расчеты ученых показывают, что на ранних этапах ее поведение менялось: она действовала не как вещество, а как излучение. Двигаясь еще дальше назад во времени, темная материя была плотнее и вела себя как жидкость, сопротивляясь сжатию.

«Пытаясь нарушить ее, мы должны иметь в виду давление, — говорит Шапиро. — Когда вы собираете ее в кучу, она хочет раздуться обратно. Мы словно наполняем Вселенную жидкостью».

Ученые не ожидали обнаружить такое.

Такая упругость означает, что эта странная вязкая темная материя могла замедлять темпы расширения Вселенной в те времена. Начиная с самого конца инфляции Вселенная расширялась бы куда медленнее с темной материей, чем без нее.

Но первичные гравитационные волны должны были простреливать юную Вселенную с такой же скоростью, как и раньше. И поскольку они легче отпечатывались на фоне, их может быть легче обнаружить.

Первичные волны

В докладе на заседании Американского физического общества в Солт-Лейк-Сити, штат Юта, в прошлом месяце пара ученых заявили, что такая темная материя могла подавить расширение достаточно, чтобы первичные гравитационные волны могли быть обнаружены силами LIGO.

«В стандартной истории, без нашей темной материи, они будут намного ниже предела, на котором детекторы гравитационных волн, современные или будущие, смогут их обнаружить. Но наша модель показывает, что надежда все же есть».

Таня Реджимбо из команды LIGO указывает на то, что поскольку мы многого не знаем о том, какой была ранняя Вселенная, говорить с уверенностью о такой возможности нельзя. По ее мнению, нет никаких гарантий, что эти волны существуют или что их смогут увидеть наши будущие детекторы. Но эта работа интересна тем, что предоставляет такую возможность.