тоящее. Все, что нам нужно, - это космический корабль, который может годами путешествовать со скоростью, близкой к скорости света (и выдерживать гравитационные нагрузки, вызванные неудобной близостью к сингулярности). Тогда мы действительно можем увидеть, реален "парадокс дедушки" или нет.
Пол Саттер
Состоит ли темная материя из "шаров Ферми"?
Темная материя - загадочное вещество, которое проявляет свое притяжение, но не взаимодействует со светом. Оно может состоять из крошечных черных дыр, пронизывающих Вселенную. Согласно новой теории, эти черные дыры могли быть сформированы из "шаров Ферми" или квантовых "мешков" субатомных частиц, известных как фермионы, которые смешивались в плотных "карманах" во время зарождения Вселенной.
Теория могла объяснить, почему темное вещество стало доминировать во Вселенной.
"Мы обнаруживаем, что в некоторых случаях "шары Ферми" настолько плотны, что фермионы находятся слишком близко друг к другу, вызывая коллапс такого шара в черную дыру, - сказал Ке-Пан Се, исследователь Центра теоретической физики в Сеульском национальном университете в Южной Корее.
Се и его сотрудник Киёхару Кавана разработали новый сценарий, объясняющий, как темное вещество стало доминировать во Вселенной: в разгар невероятной трансформации, когда возраст космоса был меньше секунды, появился новый вид частиц, которые попали в ловушку, схлопнувшись до такой маленькой точки, что превратились в черные дыры. Затем эти черные дыры заполнили Вселенную, обеспечивая массу, необходимую для объяснения темного вещества.
Причина возникновения первобытных черных дыр
Астрономы и физики не могут объяснить темное вещество, загадочную субстанцию, которая составляет более 80% массы любой большой структуры, от галактик до космической паутины во Вселенной. Интригующая возможность заключается в том, что темное вещество возникло из черных дыр. В конце концов, черные дыры, как и темное вещество, не излучают света.
"Как своего рода несветящийся и компактный объект, черные дыры являются естественным объяснением темной материи", - сказал Се.
Но астрономам давно известно, что обычные черные дыры звездной массы не могут объяснить темное вещество во Вселенной. За всю историю Вселенной образовалось недостаточно звезд, чтобы сформировать достаточно черных дыр и объяснить темное вещество. Но в самые ранние моменты во Вселенной была довольно ошеломляющая физика. Возможно, то, что происходило тогда, породило триллионы маломассивных черных дыр. Эти черные дыры могут существовать и по сей день, потенциально решая загадку темного вещества.
Но теория должна создать достаточно черных дыр.
Пенистая Вселенная
Се и Кавана добавили несколько ингредиентов в свою модель. Они начали с очень молодой, очень горячей и очень плотной Вселенной. Эти экстремальные условия допускают некоторые физические процессы, которые не происходят в нормальных условиях современной Вселенной. Первый ингредиент - это нечто, называемое скалярным полем, которое представляет собой квантово-механическую сущность, охватывающую все пространство. (Хорошо известное поле Хиггса, которое придает материи ее массу, является примером одного из них.) Когда Вселенная расширялась и охлаждалась, это скалярное поле претерпевало фазовый переход, переходя из одного квантово-механического состояния в другое.
Этот фазовый переход не произошел сразу во всей Вселенной. Было несколько точек, где переход начался, а затем распространился - так же, как несколько пузырьков в кастрюле с кипящей водой сливаются, образуя более крупные пузырьки. Этот процесс называется фазовым переходом первого рода: вода переходит из "жидкой фазы" в "газовую", и последняя сначала существует в виде растущих пузырьков. Новое состояние скалярного поля, называемое "основным состоянием", распространяется из этих точек, как пучок шипящих пузырей.
В конце концов, пузыри полностью сливаются, и скалярное поле завершает переход.
Как сделать шар Ферми
Однако для создания первичных черных дыр, порождающих темное вещество, Се и Каване понадобился еще один ингредиент. Поэтому они добавили в свою модель фермион нового типа. Фермионы - это категория частиц, которые составляют строительные блоки Вселенной. Например, электроны, протоны и нейтроны, составляющие атомы в вашем теле, являются фермионами. В очень ранней Вселенной фермионы свободно перемещались в скалярном поле. Но согласно рецепту, который приготовили Се и Кавана, эти фермионы не могли проникнуть в маленькие вспенивающиеся пузыри нового основного состояния во время фазового перехода. По мере того, как пузыри росли, фермионы скапливались в оставшихся "карманах", становясь "шарами Ферми".
И тогда все пошло наперекосяк. Это связано с тем, что между фермионами существует дополнительная сила, известная как взаимодействие Юкавы, вызванная тем же самым скалярным полем, какое предложили Се и Кавана в статье. Обычно фермионы не любят, когда их собирают в небольшие объемы, но скалярное поле добавляет силу притяжения, которая может подавить это естественное отталкивание. Например, протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Кварки являются фермионами и обычно ненавидят друг друга, но дополнительная сила заставляет их оставаться вместе.
Эту силу можно смоделировать как взаимодействие Юкавы, подобное физике ранней Вселенной, действовавшей в модели Се и Каваны. Согласно теории Се и Каваны, как только взаимодействие Юкавы завоевало популярность, игра в маленькие "шары Ферми" была окончена. Втиснувшись в маленькие "карманы" быстро менявшейся Вселенной, сгустки фермионов катастрофически схлопывались, образуя огромное количество черных дыр. Эти черные дыры пережили конец фазового перехода и затопили Вселенную в виде темного вещества.
По крайней мере, идея такова. Это радикальное предположение, но когда дело доходит до физики ранней Вселенной и тайны, окружающей темное вещество, нам нужны некоторые радикальные предложения, а также наблюдения, чтобы добиться прогресса.
Итан Сигель
Таинственная темная энергия
Что на фундаментальном уровне составляет Вселенную? Когда мы задаем этот вопрос, мы обычно думаем о том, чтобы начать с вещей, которые наблюдаем напрямую - звезды, планеты, люди, газ, пыль, плазма и другие формы материи, которые мы знаем, - и разделить их на части, пока вы не достигнете чего-то, что неделимо. Когда мы овладели законами физики и начали манипулировать субатомными частицами, мы получили способность ускорять и сталкивать их, что позволило создавать широкий набор частиц и античастиц: все, что описано в Стандартной модели физики элементарных частиц. И все же, если мы сложим общую сумму всех этих форм материи, включая фотоны, нейтрино и все, что не состоит из атомов, мы окажемся далеко от того, что необходимо для описания нашей Вселенной. Необходимы два дополнительных компонента: темное вещество и темная энергия. Более того, хотя мы полностью ожидаем, что за темное вещество отвечают частицы, это совсем не так для темной энергии.
Частицы и античастицы Стандартной модели подчиняются всевозможным законам сохранения, с фундаментальными различиями между фермионными частицами и античастицами и бозонными. Каждый набор частиц обладает собственными уникальными квантовыми числами, но никакие частицы не могут объяснить темное вещество или темную энергию. У всех частиц, по крайней мере, в том виде, в каком мы их знаем, есть несколько общих черт. У них есть набор "квантовых чисел" или свойств, которые им присущи, которые определяют их массы, спины и различные заряды. Все частицы одного и того же типа - электроны, нижние кварки, Z-бозоны и т. д. - имеют идентичные свойства, и вы можете заменить любую из них любой другой идентичной частицей, и все останется таким же. Единственное, что между ними различается, является либо случайным, например временем их распада (если они нестабильны), либо ситуационным: такие вещи, как импульс, орбитальный угловой момент или уровни энергии в связанной системе.
Но есть частицы массивные и безмассовые. Массивные частицы замедляются по мере того, как Вселенная расширяется и охлаждается, и в конечном итоге гравитационно слипаются вместе, поскольку каждая масса универсально притягивает любую другую массу. Однако безмассовые частицы просто перемещаются через искривленное пространство с единственно допустимой скоростью, скоростью света, пока не начнут взаимодействовать с другой частицей на своем пути.
Массивные (вещество) и безмассовые (излучение) частицы эволюционируют принципиально по-разному по отношению к расширяющейся Вселенной.
В то время как вещество и излучение становятся менее плотными по мере расширения Вселенной из-за увеличения ее объема, темная энергия - это форма энергии, присущая самому космосу. По мере того, как в расширяющейся Вселенной создается новое пространство, плотность темной энергии остается постоянной.
С астрофизической точки зрения, когда мы исследуем Вселенную всеми известными нам способами, открывается множество аспектов космической истории. Наблюдая за тем, насколько распространены легчайшие элементы и их изотопы, мы можем определить, сколько всего нормального вещества составляет нашу Вселенную. Измеряя, как галактики группируются вместе, а также их крупномасштабное распределение и индивидуальные внутренние свойства, мы можем определить, сколько всего существует "вещества", которое ведет себя так, как будто оно состоит из массивных частиц. И когда мы смотрим на детали, включенные в оставшееся свечение от Большого взрыва - космический микроволновый фон - это говорит нам о том, что Вселенная пространственно плоская, и о том, сколько всего "вещества" присутствует во Вселенной в целом.
график
Из этой информации мы узнаем, что весь нормальный материал Стандартной модели в нашей Вселенной составляет всего 5 процентов от общего количества. Еще ~ 27 процентов - это темное вещество, которое не может вести себя как ни одна из известных частиц. Оно слипается и гравитирует, как обычная материя, но не сталкивается с нормальной материей, светом или другими частицами темного вещества.