Физики-теоретики из Центра теоретической физики при Сеульском национальном университете в Южной Корее предположили, что загадочная и неуловимая темная материя может состоять из так называемых шаров Ферми, оставшихся со времен Большого взрыва. Свою статью они опубликовали на сайте электронных препринтов arXiv.org.
Шары Ферми (Fermi balls) — это гипотетические космологические объекты, которые могли появиться в условиях самой ранней Вселенной за счет спонтанного нарушения симметрии и последовавшего затем фазового перехода. Их не следует путать с пузырями Ферми (Fermi bubbles) — гигантскими структурами в Млечном Пути, названными в честь космического гамма-телескопа Fermi и образовавшимися в результате активности центральной сверхмассивной черной дыры.
Темная материя — загадочная субстанция, взаимодействующая с обычным веществом лишь посредством гравитации и не взаимодействующая со светом. Когда-то уже высказывались гипотезы, согласно которым темная материя может состоять из крошечных черных дыр, пронизывающих Вселенную, однако числовые оценки исключали подобную возможность: количество таких черных дыр, а также черных дыр звездной массы слишком мало, чтобы сошелся «бюджет Вселенной», известный из разных экспериментальных данных (от космической обсерватории Planck, из наблюдений за сверхновыми и др.): должно быть всего 5% обычной (барионной) материи, 27% темной материи и 68% темной энергии. За всю историю Вселенной не образовалось столько звезд, чтобы они после своей гибели породили достаточное количество черных дыр, масса которых объяснила бы все количество имеющейся темной материи. На сегодняшний момент стандартной считается теория холодной темной материи, а наиболее вероятными кандидатами на роль составляющих ее частиц — пока еще не обнаруженные WIMPs — weakly interacting massive particles.
Согласно новой теории, искомые черные дыры все же могли когда-то возникнуть из шаров Ферми или квантовых «мешков» субатомных частиц — фермионов, — которые смешивались в плотных «карманах» во время зарождения Вселенной. Эта теория претендует на объяснение того факта, почему темная материя стала доминировать во Вселенной над обычной, видимой материей.
«Мы обнаружили, что в некоторых случаях шары Ферми могли быть настолько плотно упакованы, что фермионы в них оказывались слишком близко друг к другу, это вызывало коллапс шара Ферми и превращение его в черную дыру», — сказал исследователь из Центра теоретической физике при Сеульском национальном университете Ке-Пан Се в интервью Live Science.
Се и его коллега Киёхару Кавана из того же Центра теоретической физики разработали сценарий, объясняющий, как темная материя стала доминировать в космосе. В то время, когда Вселенной было меньше секунды, в ней происходили невероятные трансформации физических законов. Частицы попадали в ловушки, соединяясь в столь компактные структуры, что могли лишь коллапсировать и превращаться в черные дыры. Затем эти черные дыры заполнили всю Вселенную, обеспечивая тот самый установленный экспериментальными методами «бюджет» — явное доминирование над обычной, барионной материей, двух прочих пока еще необнаружимых компонент.
Черные дыры, как и темная материя, не излучают свет, поэтому они, в принципе, могут стать источником скрытой массы. «Так как черные дыры — это несветящиеся и компактные объекты, их кандидатура на темную материю должна быть рассмотрена самым естественным образом», — говорит Се.
Экстремальные условия, которые существовали в самой ранней Вселенной, допускают изменение физических процессов, уже невозможных в нормальных условиях современного космоса. Первый ингредиент новой теории — это скалярное поле вроде поля Хиггса, что пронизывает все пространство и придает частицам их массу. Когда Вселенная расширилась и охладилась, это скалярное поле претерпело фазовый переход, перейдя в другое квантовомеханическое состояние. Этот фазовый переход не коснулся одновременно сразу всей Вселенной. Первоначально возникли лишь отдельные участки, в которых переход уже начался, а затем это все распространялось дальше, сродни тому, как закипает вода в кастрюле, образуя все более крупные пузыри. «Этот процесс называется фазовым переходом первого рода: вода переходит из жидкой фазы в газообразное состояние, однако первоначально газ появляется лишь в виде растущих пузырьков», — пояснил Се.
Новое состояние скалярного поля, становящегося теперь основным состоянием, распространяется из этих точек сродни потоку кипящих пузырей. В конце концов пузыри полностью сливаются между собой, и скалярное поле завершает свой фазовый переход.
Однако чтобы получить первичные черные дыры, представляющие собой темную материю, Се и Каване понадобился еще один ингредиент. Они добавили в свою модель фермион нового типа. Фермионы — это частицы с полуцелым значением спина, в число которых входят электроны, протоны и нейтроны, из которых состоят все обычные атомы.
В очень ранней Вселенной эти фермионы свободно перемещались в скалярном поле, однако они не могли проникнуть в маленькие вспенивающиеся «пузыри» нового основного состояния космоса во время вышеописанного фазового перехода. По мере того, как пузыри росли, фермионы скапливались в оставшихся «карманах», становясь шарами Ферми. Однако между этими фермионами действовала дополнительная сила, известная как взаимодействие Юкавы, вызываемая тем же самым скалярным полем, предложенным южнокорейскими теоретиками в их статье. Обычно фермионы избегают попадания в одно и то же квантовое состояние и в небольшие объемы, однако скалярное поле добавляло им ту силу взаимодействия, что подавляла это естественное расталкивание. Скажем, протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Кварки — это тоже фермионы, избегающие попадать в одно и то же состояние, однако дополнительная ядерная сила (сильное взаимодействие) склеивает их вместе. Аналогом подобной силы является взаимодействие Юкавы, действующее в модели Се и Каваны.
Согласно теории южнокорейцев, как только фазовый переход завершился, судьба шаров Ферми была предрешена. Втиснувшись в маленькие «карманы» быстро меняющейся Вселенной, сгустки фермионов катастрофически схлопывались, образуя огромное количество крошечных черных дыр. Эти черные дыры пережили конец фазового перехода и заполнили Вселенную уже в виде темной материи.