Млечный Путь № 4 2021

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.