Физики впервые услышали эхо Темного Большого взрыва в космическом пространстве

Темная материя уже почти столетие остаётся одной из главных загадок физики. Её невозможно увидеть или зафиксировать напрямую, но именно она удерживает галактики от распада, определяя их движение и структуру. По оценкам, около 85% всей материи во Вселенной состоит из этой невидимой субстанции, и есть предположения, что она могла возникнуть даже до Большого взрыва.

Впервые о темной материи заговорили в 1930-х, когда астрономы заметили странности в движении галактик. Позже, наблюдения за космическим микроволновым фоном — излучением, оставшимся после рождения Вселенной, — подтвердили её ключевую роль в формировании крупномасштабной структуры космоса. В 2018 году команда проекта Planck выяснила, что темная материя составляет примерно 27% всей энергии Вселенной, тогда как обычная материя — лишь 5%.

За десятилетия было предложено множество теорий о природе темной материи. Одна из них, основанная на концепции суперсимметрии, предполагает существование новых частиц — партнёров известных, называемых WIMPs (слабо взаимодействующие массивные частицы). Эти гипотетические частицы почти не взаимодействуют с обычной материей, но учёные надеялись обнаружить их в ходе экспериментов, например, в ускорителе LHC или в установках вроде DAMA. Однако пока что WIMPs ускользают от обнаружения, а наиболее простые модели начинают вызывать всё больше сомнений.

На этом фоне в последние годы появились более радикальные идеи. В 2023 году физики Кэтрин Фриз и Мартин Винклер из Техасского университета предложили альтернативную теорию происхождения темной материи — концепцию «Темного Большого взрыва» (Dark Big Bang, DBB). В отличие от обычного Большого взрыва, породившего привычную материю, DBB описывает независимое событие, в ходе которого образовалась темная материя.

Согласно этой гипотезе, ранняя Вселенная состояла из двух изолированных «секторов»: видимого и темного. Пока видимый сектор проходил через горячую фазу Большого взрыва, темный оставался холодным и инертным. Но затем в нём произошёл собственный фазовый переход, в результате которого образовалась «ванна» тёмных частиц, подчиняющихся своим законам физики. Это событие могло сопровождаться выбросом гравитационных волн, отличающихся от тех, что возникают при столкновениях чёрных дыр или нейтронных звёзд.

Новизна подхода DBB заключается именно в том, что такие гравитационные волны потенциально можно обнаружить. Особенно перспективными считаются низкочастотные сигналы, улавливаемые с помощью пульсарных временных массивов, таких как IPTA или будущий радиотелескоп SKA. Недавние наблюдения от проекта NANOGrav уже выявили фоновый сигнал, происхождение которого пока неясно — и он вполне может вписываться в предсказания DBB.

Дополнительные расчёты в рамках этой теории выполнили Космин Илие из Колгейтского университета и студент Ричард Кейси. Их работа исследует параметры поля, отвечающего за «туннелирование» в темном секторе, и находит такие значения, при которых получаются как нужное количество темной материи, так и характерные гравитационные волны — уже в пределах чувствительности текущих или ближайших экспериментов.

Если гипотеза Темного Большого взрыва подтвердится, она может перевернуть наше представление о зарождении Вселенной. Вместо одного универсального начала мы получим картину, где видимый и темный миры имеют разные, но взаимосвязанные истории. Это также может объяснить, почему тёмная материя до сих пор так хорошо прячется: она родом из другой фазы космоса, подчинённой иным законам.

Поиск темной материи — не просто научное увлечение, а ключ к пониманию самой структуры реальности. Чем дальше продвигается техника, тем ближе мы подбираемся к разгадке. Возможно, уже в ближайшие годы человечество впервые услышит эхо Темного Большого взрыва — в виде тонкой вибрации пространства, застывшей с начала времён.