Гравитационные волны могли создать темную материю в ранней Вселенной

Иллюстрация, визуализирующая этапы эволюции нашей Вселенной и моменты, в которые формируются стохастические гравитационные волны. Credit: Azadeh Maleknejad, Swansea University

Гравитационные волны могли сыграть ключевую роль в создании темной материи в самые ранние моменты существования Вселенной, согласно новому исследованию профессора Йоахима Коппа из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU) и кластера передовых исследований PRISMA++, проведенному совместно с доктором Азаде Малекнеджад из Университета Суонси. Опубликованное в журнале Physical Review Letters, исследование представляет новые расчеты, указывающие на ранее неизученный процесс, в котором так называемые стохастические гравитационные волны могли порождать темную материю.

Эта работа затрагивает один из самых больших нерешенных вопросов в физике элементарных частиц. Все, что мы можем видеть, включая планеты, звезды и жизнь на Земле, состоит из видимой материи, однако на ее долю приходится лишь около четырех процентов Вселенной. Большая часть космоса остается невидимой, состоящей из темной материи и темной энергии. На долю одной только темной материи приходится примерно 23 процента Вселенной.

Наблюдения показывают, что темная материя распространена по всему пространству, формируя галактики и крупнейшие космические структуры. Несмотря на ее огромное влияние, ученые до сих пор не знают, из чего состоит темная материя. Ведутся многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, чтобы раскрыть ее истинную природу.

Гравитационные волны и новый путь к образованию частиц

Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, порождаемая одними из самых энергетических событий во Вселенной, таких как столкновения черных дыр или нейтронных звезд. Однако не все гравитационные волны возникают в результате столь драматических событий. Другой тип, известный как стохастические гравитационные волны, возникает из множества процессов, не связанных с массивными объектами.

Эти волны гораздо слабее и являются частью фонового сигнала, заполняющего Вселенную. Многие из них чрезвычайно древние, они возникли еще на самых ранних этапах после Большого взрыва. Они могли быть порождены в ключевые моменты космической истории, включая фазовые переходы по мере остывания Вселенной или из первичных магнитных полей.

«В этой статье мы исследуем возможность того, что гравитационные волны, которые, как полагают, были повсеместны в ранней Вселенной, частично преобразуются в частицы темной материи», — объяснил Копп. «Это приводит к новому механизму производства темной материи, который ранее не изучался».

От волн ранней Вселенной к частицам темной материи

Исследование предполагает, что эти ранние гравитационные волны могли производить фермионы, которые изначально имели малую массу или не имели ее вовсе. Фермионы — это широкий класс частиц, включающий такие известные примеры, как электроны, протоны и нейтроны. По мнению исследователей, эти ранние фермионы могли впоследствии обрести массу и эволюционировать в частицы темной материи, существующие сегодня.

Что дальше для этой теории

«Следующий шаг в развитии этой линии исследований — выйти за рамки наших аналитических оценок и провести численные расчеты для повышения точности наших предсказаний. Еще одно направление для будущих исследований — изучение других возможных эффектов гравитационных волн в ранней Вселенной. Одним из примеров этого мог бы быть механизм, объясняющий хорошо известную разницу в количестве произведенных частиц и античастиц», — сказал Копп.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Иоганна Гутенберга в Майнце.

Azadeh Maleknejad, Joachim Kopp. Gravitational-Wave Induced Freeze-In of Fermionic Dark Matter. Physical Review Letters, 2026; 136 (13) DOI: 10.1103/lr69-45v8