Наша Вселенная скреплена невидимым галактическим клеем: и без него нас бы не было

Галактики во Вселенной держатся вместе благодаря веществу, которое никто ни разу не видел. Этот невидимый клей не светится, не отражает лучи и никак не отзывается на приборы астрономов, хотя без него космос выглядел бы совсем иначе. Сегодня мы знаем, что он холодный, тяжелый и медленный. Новая гипотеза предлагает неожиданный поворот: когда-то он мог быть полной своей противоположностью. Как вещество способно настолько радикально сменить характер мироздания?

По следам невидимки

Речь идет о темной материи. Ее главная странность в том, что она равнодушна к видимому свету и прочим электромагнитным силам. Поймать темную материю телескопом нельзя, но ее гравитация, судя по всему, вполне ощутимо тянет на себя обычное вещество. Именно поэтому темную материю называют силой, которая управляет Вселенной.



Улик набралось немало. Звезды обращаются вокруг центров своих галактик слишком быстро, а сами галактики несутся внутри скоплений с огромными скоростями. Массивные объекты отклоняют пролетающий мимо свет сильнее, чем позволяет масса, которую мы видим. Добавим к этому тот факт, что гигантские структуры в космосе выросли подозрительно быстро.

Вывод из всех этих наблюдений один. В космосе есть нечто сверх того, что регистрируют наши измерительные приборы, следовательно, обычные методы астрономии здесь бессильны. Природу загадочного вещества пытаются угадать уже десятки лет, и одна из главных версий недавно дала трещину.

Охота на призраков

Долгое время космологи делали ставки на гипотетические частицы под названием WIMPs, то есть слабовзаимодействующие массивные частицы. Предполагалось, что они связаны с остальным миром только двумя способами: через гравитацию и через слабое ядерное взаимодействие. Последнее отвечает за поведение субатомных частиц.

Эта идея выглядит весьма убедительно, поэтому неудивительно, ученые держались за нее десятилетиями. Однако поиски WIMPs до сих пор ни к чему не привели. Ни одной такой частицы зарегистрировать не удалось, и стройная версия повисла в воздухе без экспериментальной опоры.

Теоретики ответили на провал потоком новых идей: каждый год их появляются десятки. Почти все родом из физики высоких энергий и опираются на экзотические процессы или сугубо теоретические частицы. Их надеются когда-нибудь увидеть на коллайдерах, огромных машинах, которые разгоняют и сталкивают субатомные частицы ради рождения новых. Но двое исследователей решили искать ответ совсем в другом месте.

Подсказка из мира привычных вещей

Гуаньмин Лян и Роберт Колдуэлл из Дартмутского колледжа (США) обратились к физике конденсированного состояния. В этой области регулярно случаются крупные прорывы, но публика замечает их куда реже, чем новости с коллайдеров. По сути, это наука о веществе: она объясняет, почему стекло прозрачное и как тепло распространяется по новым материалам.



Особенно интересно, что эта физика изучает обычные материалы в экстремальных условиях, где они ведут себя вопреки логике. Хороший пример дает электрическое сопротивление. Электроны в проводе толкаются и сталкиваются, теряя энергию по пути, поэтому передавать ток на большие расстояния без потерь не получается.

Но стоит охладить некоторые материалы почти до абсолютного нуля, и электроны объединяются в новое состояние вещества. Сопротивление пропадает, ток течет без помех. Это явление называют сверхпроводимостью, и благодаря ему работают аппараты МРТ и поезда на магнитной подушке. Именно сверхпроводник подсказал ученым, как мог вести себя космический клей в юности.

Как горячий суп стал клеем

По модели Ляна и Колдуэлла, в ранней Вселенной темная материя была горячим супом из стремительных частиц без массы. В таком виде она была легкой, быстрой и почти незаметной для космической истории. Ни о каком удержании галактик тогда не шло и речи.

Все изменилось, когда Вселенная начала расширяться и остывать. Частицы темной материи стали объединяться в пары, совсем как электроны в охлажденном сверхпроводнике. Этот переход полностью перекроил их свойства, словно вещество получило новый характер.

Пары оказались медленными, тяжелыми и темными. Иными словами, они приобрели как раз те черты, которые астрономы видят у темной материи сегодня. Так модель связывает холодный невидимый клей нынешнего космоса с горячей и легкой субстанцией его первых мгновений.

Неожиданный бонус

У модели нашлась любопытная особенность. Если частицы темной материи с самого начала имели хотя бы небольшую массу, в пары объединяются не все. Большая часть остается одиночками и как бы растворяется в фоне.



Эти оставшиеся частицы заполняют собой все пространство-время. Они не собираются в комки и не стягивают галактики, а равномерно присутствуют повсюду. Получается своеобразная вторая форма той же самой материи.

Такое поведение может объяснить еще одну космическую загадку, темную энергию. Именно она отвечает за ускоренное расширение Вселенной. Если модель верна, две крупнейшие тайны космологии вырастают из одного корня.

Заключение

Авторы нового подхода признаются: это всего лишь предположение, и оно может быть ошибочным. Зато его можно проверить. Парные частицы темной материи могли оставить слабый отпечаток на реликтовом излучении. Это свет, который вырвался на свободу, когда Вселенной было около 380 000 лет и она остыла из плазмы до нейтрального состояния. Найдут ли астрономы этот след в древнем свечении, покажут будущие наблюдения.