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

Эта работа затрагивает один из самых больших нерешенных вопросов физики элементарных частиц. Все, что мы можем видеть, включая планеты, звезды и жизнь на Земле, состоит из видимой материи, однако она составляет лишь около четырех процентов Вселенной. Большая часть космоса остается невидимой, состоящей из темной материи и темной энергии. Только темная материя составляет 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 теории и эксперименты, чтобы раскрыть ее истинную природу.

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

Эти волны гораздо слабее и составляют часть фонового сигнала, заполняющего Вселенную. Многие из них чрезвычайно древние, восходящие к самым ранним фазам после Большого взрыва. Они могли быть порождены в ключевые моменты космической истории, включая фазовые переходы по мере остывания Вселенной или от 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 исследовался».

Исследование предполагает, что эти ранние гравитационные волны могли породить фермионы, которые изначально имели малую или нулевую массу. Фермионы — это широкий класс частиц, включающий такие знакомые примеры, как электроны, протоны и нейтроны. По мнению исследователей, эти ранние фермионы могли позже приобрести массу и эволюционировать в частицы темной материи, существующие сегодня.

«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. Один из примеров — механизм, который мог бы объяснить хорошо известную разницу в количестве частиц и античастиц», — сказал Копп.