Странная тягучая форма тёмной материи, которая составляет большую часть материи Вселенной, могла оказывать замедляющий эффект на её ранней эволюции — и это может помочь обнаружить волны от Большого взрыва.
Тёмная материя — это загадочная субстанция, составляющая 80 процентов материи Вселенной, но она взаимодействует с обычной материей только посредством гравитации. Самым популярным кандидатом на эту форму материи является вимп — слабовзаимодействующая массивная частица. Но десятилетия поисков этой частицы прошли впустую. Вимп также мог бы указать на некоторые объекты, которые мы не видим во Вселенной, такие как рой мини-галактик вокруг Млечного Пути.
Есть и другие кандидаты на роль тёмной материи. Пол Шапиро (Paul Shapiro) и его коллеги из Техасского университета в Остине (University of Texas at Austin) исследовали альтернативную форму тёмной материи, включающей в себя бозоны. Бозоны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, которая допускает, чтобы в одном квантовом состоянии могло находиться неограниченное количество одинаковых частиц. Это свойство может также позволить им слипаться в странное, тягучее состояние вещества, которое называется конденсатом Бозе — Эйнштейна, в котором совокупность частиц ведёт себя как единый квантовый объект.
Теперь Шапиро и его аспирант Боуха Ли (Bouha Li) стремятся узнать, как эта форма тёмной материи могла влиять на эволюцию молодой Вселенной.
Скачок роста
Любимое представление космологов о самых ранних моментах эволюции Вселенной подразумевает, что она пережила экспоненциальный рост в первые фемтосекунды после Большого взрыва. Это расширение, которое назвали инфляцией, послало первичные гравитационные волны через пространство-время.
Физики думали, что они увидели доказательства существования этих волн при помощи телескопа BICEP2 в 2013 году, но это оказалось ошибкой. Однако в начале текущего года эксперимент LIGO зафиксировал гравитационные волны от сталкивающихся чёрных дыр, что стало доказательством того, что гравитационные волны действительно существуют.
В стандартном сценарии, первичные гравитационные волны настолько слабы, что LIGO никогда их не сможет обнаружить.
«В нашей модели происходит нечто радикально иное, — говорит Шапиро. — Тёмная материя меняет свои состояния, по мере того, как вы движетесь назад во времени».
Хотя тягучая тёмная материя ведёт себя точно так же, как вимпы в наше время, расчёты показывают, что на более ранней фазе, она вела себя не как вещество, а как излучение. Ещё ранее тёмная материя была жёсткой и вела себя подобно жидкости, сопротивляющейся сжатию.
Если эта странная тёмная материя существовала, то сразу после окончания эпохи инфляции Вселенная расширялась менее быстро, поскольку тёмная материя сдерживала скорость расширения.
Но первичные гравитационные волны в этой модели распространяются через юную Вселенную с той же скоростью что и в прежней модели. Это означает, что их будет легче обнаружить.
В прошлом месяце в докладе на заседании Американского физического общества (The American Physical Society) в Солт-Лейк-Сити, штат Юта, эта пара учёных заявила, что такая тёмная материя могла бы сдерживать расширение, что позволило бы LIGO обнаружить первичные гравитационные волны.
«В стандартном сценарии, без нашей тёмной материи, это значительно ниже предела возможностей всех детекторов гравитационных волн, которые у нас есть или когда-нибудь будут, — говорит Ли. — Но наша модель оставляет надежду».
Таня Регимбау (Tania Regimbau) из команды LIGO указывает на то, что, поскольку мы многого не знаем о том, какой была ранняя Вселенная на самом деле, то в модель можно легко вносить небольшие поправки.
«Нет никакой гарантии, что эти дополнительные факторы существуют или что их могут зафиксировать наши будущие детекторы, — говорит она. — Но эта работа, безусловно, интересна тем, что показывает, что может быть и так».
