Tamsiosios materijos kilmės hipotezės: veidrodinė visata ir kosminio horizonto dalelės

Įvadas: tamsiosios materijos paslaptis ir netikėta hipotezė

Tamsioji materija išlieka viena iš didžiausių neišspręstų kosmologijos ir dalelių fizikos mįslių. Stebėjimai, tokie kaip galaktikų sukimosi kreivės, gravitacinis lęšiavimas ir didelio masto struktūros analizė, rodo dominuojančią, nematomą materiją, kuri neskleidžia, nesugeria ir neatspindi šviesos. Visgi dešimtmečius trukusios tiesioginės tamsiosios materijos detektavimo ir greitintuvų paieškos daugeliui įprastų kandidatų nedavė rezultatų. Šis neatitikimas paskatino mokslininkus svarstyti egzotiškesnes tamsiosios materijos kilmės galimybes – nuo hipotezių apie „veidrodinį sektorių“ iki nuolatinės dalelių gamybos Visatos pakraštyje, vadinamame kosminiu horizontu.

Fizikas Stefano Profumo iš Kalifornijos universiteto Santa Kruze, neseniai žurnale „Physical Review D“ išsamiai išnagrinėjo dvi intriguojančias, fizikiniu požiūriu motyvuotas tamsiosios materijos prigimties hipotezes. Abi idėjos siekia suderinti astrofizinius duomenis su tamsiosios materijos signalų nebuvimu standartiniuose detektoriuose ir pasiūlyti galimus stebimus požymius, pavyzdžiui, gravitacines bangas ar kosmologinius ženklus, galinčius patvirtinti šiuos modelius.

Veidrodinė tamsioji visata: tamsiosios barionai, kvarkai ir juodosios skylės

Viena iš idėjų teigia, kad tamsusis sektorius yra beveik veidrodinis matomojo sektoriaus atitikmuo. Remdamasis kvantinės chromodinamikos (QCD) principais – teorija, aprašančia, kaip kvarkai ir gliuonai jungiasi stipriąja sąveika sudarydami protonus ir neutronus – Profumo pasiūlė tamsiosios QCD koncepciją. Pagal šį modelį tamsieji kvarkai ir tamsieji gliuonai stipriai sąveikauja, sudarydami tamsiuosius barionus, kurie yra protonų ir neutronų atitikmenys tamsiajame sektoriuje.

Jeigu ankstyvojoje Visatoje egzistavo tamsieji barionai, vietos padidinto tankio regionuose galėjo susiformuoti kompaktiški objektai. Vietoj to, kad formavimasis vyktų tik iš įprastos medžiagos tankio perturbacijų, tamsiųjų barionų debesys galėjo suformuoti mažų ar net nano mastelio juodųjų skylių populiaciją, arba kitokių kompaktiškų objektų, imituojančių juodąsias skyles. Pakankamai gausi tokių juodųjų skylių tamsiame sektoriuje populiacija galėtų paaiškinti visą Visatos tamsiosios materijos tankį ir turėti lemiamos įtakos kosmologinės struktūros formavimuisi.

Profumo teigia, kad ankstesnėse pirminių juodųjų skylių (PBH) teorijose paprastai svarstytos didesnės tankio fluktuacijos matomame sektoriuje, tačiau veidrodinio sektoriaus modelis šias kilmes perkelia į dinamiškai atskirą tamsųjį sektorių. Ypač svarbu tai, kad įvykus tamsiojo sektoriaus kompaktiškų objektų susijungimams, galėtų kilti gravitacinių bangų signalai. Net ir silpnas tokių susijungimų ryšys su gravitacinių bangų detektoriais, tokiais kaip LIGO, Virgo ar būsimieji stebėjimo prietaisai, galėtų sukurti aptinkamą stochastinį foną arba pavienius įvykius su neįprasta mase.

Kosminio horizonto emisija: spinduliuotė nuo Visatos krašto

Antroji Profumo nagrinėjama koncepcija – tamsiosios materijos formavimasis kosminio horizonto, atsiradusio per infliaciją ar vėliau, riboje. Pagal standartinę infliacijos teoriją, ankstyvoji Visata plėtėsi eksponentiškai, o ši ekstremali plėtra sukūrė efemerišką horizontą, analogišką juodosios skylės įvykių horizontui. Kvantinio lauko fluktuacijos, vykstančios šalia šio horizonto, gali būti ištemptos ir paverstos realiomis dalelėmis, kai sričių ribos peržengia kauzalumos ribas.

Remdamasis Hawkingo spinduliuotės analoge – procesu, kai dalelių-anti dalelių poros prie juodosios skylės horizonto gali išsklaidyti daleles – Profumo mano, kad tamsiojo sektoriaus dalelės galėjo susiformuoti šalia kosminio horizonto infliacijos ar peršildymo metu. Kadangi kosminė plėtra didžiuosiuose masteliuose vyksta ir šiandien, teorinė galimybė, kad palaipsniui tamsioji materija vis dar „gimsta“ kosminio horizonto ribose, išlieka aktuali.

Šiuo atveju susidarytų neterminė tamsiosios materijos dalelių populiacija su specifinėmis judėjimo ir pasiskirstymo savybėmis, kurios skirtųsi nuo tradicinių termines pusiausvyros ar „užšalimo“ scenarijų. Tokie skirtumai galėtų palikti skiriamųjų pėdsakų kosminės foninės mikrobangos spinduliuotėje (CMB), didelio masto struktūrose ir galaktikų halų substruktūrose.

Atradimų galimybės, stebimieji požymiai ir technologijos

Nė viena iš šių hipotezių dar nepatvirtinta, tačiau abi jos veda prie konkrečių, empiriškai patikrinamų prognozių:

Gravitacinės bangos

Tamsiojo sektoriaus kompaktiškų objektų susijungimai galėtų sukurti gravitacinių bangų signalus. Tokie prietaisai kaip LIGO, Virgo, KAGRA bei būsimi detektoriai LISA ir Einstein Telescope gali ieškoti netikėtų susijungimų dažnių, neįprasto masių pasiskirstymo (ypač sub-saulinės masės įvykių) ar stochastinio fono, neatitinkančio žvaigždinės kilmės juodųjų skylių modelių.

Gravitacinis mikrolęšiavimas ir dinamika

Tamsiojo sektoriaus kompaktiški objektai, veikiantys kaip gravitaciniai lęšiai, lemtų unikalius mikrolęšiavimo įvykius, kurių statistika skirtųsi nuo standartinių žvaigždinių populiacijų. Tokie projektai kaip OGLE, Gaia ir kiti būsimi plataus lauko tyrimai gali padėti identifikuoti ar apriboti tamsiosios materijos buvimą per mikrolęšiavimo efektų analizę ir laikinius parašus.

Kosminiai tyrimai

Neterminė tamsiosios materijos kilmė bei sąveikos tamsiajame sektoriuje gali keisti CMB galios spektrą, materijos galios spektrą ar mažo mastelio struktūras. Tikslūs kosmologiniai duomenys iš Planck, DESI, Euclid ar CMB-S4 leidžia tikrinti šiuos požymius ir apriboti modelių parametrus.

Dalelių fizika ir netiesioginės paieškos

Jei tamsusis sektorius silpnai sąveikauja su Standartiniu modeliu, gali egzistuoti reti skilimo kanalai ar „portalų“ sąveikos (pvz., tamsieji fotonai, neutrinų portalai), kurios aptinkamos tik itin jautriuose eksperimentuose, nors šios sąveikos, pagal modelį, turėtų būti labai silpnos.

Reikšmė ir mokslinis kontekstas

Šie pasiūlymai išplečia tamsiosios materijos paieškų spektrą už WIMP ir aksonų, link sudėtingų tamsiųjų sektorių, turinčių savas sąveikas ir junginius. Jie remiasi gerai išvystytomis teorinėmis paradigvomis – QCD analogijomis, infliacine kosmologija, horizonto termodinamika – kad apibrėžtų fiziškai įtikinamus, nors ir spekuliatyvius mechanizmus. Kaip pažymėjo Profumo straipsnyje „Physical Review D“: „Tamsiosios materijos prigimtis išlieka vienu aktualiausių klausimų šiuolaikinėje kosmologijoje ir dalelių fizikoje… fundamentalių tamsiosios materijos ir tamsiojo sektoriaus savybių paieškos tęsiasi.” Vėlesniame straipsnyje jis pabrėžia, kad „Pagrindinis mechanizmas, atsakingas už kosmologinės tamsiosios materijos (DM) gamybą, šiuo metu išlieka atviras klausimas, kuris kelia daug mokslinės diskusijos.”

Jei bent viena iš šių hipotezių pasitvirtins, tai pakeistų mūsų supratimą apie kosminę istoriją, kompaktiškų objektų formavimąsi ir matomos bei nematomos materijos sąveiką. Toks proveržis paskatintų naujas stebėjimo kampanijas gravitacinių bangų astronomijoje, kosmologijoje, mikrolęšiavimo tyrimuose ir dalelių fizikos srityje.

Išvada

Veidrodinės tamsiosios visatos ir kosminio horizonto tamsiosios materijos kilmės hipotezės siūlo naują požiūrį į tamsiosios materijos nematomumo priežastis ir galimą kilmę. Abi remiasi žinomų fizikos dėsnių – QCD ir horizonto termodinamikos – analogijomis, tačiau numato aiškius stebimus požymius: gravitacines bangas iš tamsaus sektoriaus susijungimų, mikrolęšiavimo efektus tamsiųjų objektų bei kosmologinius neterminės dalelių gamybos ženklus. Nors šios idėjos kol kas tik teorinės, jas galima tikrinti su šiuolaikinėmis ar netolimoje ateityje pasiekiamomis technologijomis. Tolimesni tarpdisciplininiai tyrimai stebimųjų kosmologijos, gravitacinių bangų fizikos ir dalelių ieškojimų srityse bus lemiami sprendžiant, ar Visatos pakraščiuose ar šešėlinėje visatoje slypi atsakymas į tamsiosios materijos mįslę.