Gravitacinės bangos gali būti atsakingos už tamsiosios materijos susidarymą ankstyvosiose mūsų Visatos formavimosi fazėse, teigiama naujo tyrimo, kurį atliko profesorius Johaneso Gutenbergo universitetas Maince (JGU) ir PRISMA kompetencijos klasteris, bendradarbiaujant su dr. Azadeh Maleknejad iš Svonsio universiteto, rezultatais. Jų darbas, paskelbtas žurnale „Physical Review Letters“, pateikia skaičiavimus, kuriuose nagrinėjamas naujas tamsiosios materijos susidarymo mechanizmas vadinamosiomis stochastinėmis gravitacinėmis bangomis.
Iliustracija, kurioje pavaizduoti mūsų Visatos evoliucijos etapai ir etapai, kuriuose susidaro stochastinės gravitacinės bangos. Nuotrauka: Azadeh Maleknejad, Svonsio universitetas
Tokiu būdu jie prisideda prie atsakymo į esminį dalelių fizikos klausimą. Planetos, žvaigždės ir net gyvybė Žemėje sudarytos iš matomos materijos. Šio tipo materija sudaro tik apie 4 % mūsų Visatos. Didžioji dauguma yra nematoma, sudaryta iš tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos. Pavyzdžiui, tamsioji materija sudaro apie 23 % mūsų Visatos.
Astrofiziniai stebėjimai patvirtina, kad tamsioji materija persmelkia visą Visatą ir sudaro galaktikas, taip pat didžiausias žinomas struktūras kosmose. Tačiau dalelės, sudarančios tamsiąją materiją, vis dar nežinomos. Daugelis teorijų ir vykdomų eksperimentų ieško atsakymo į šį neatsakytą klausimą.
Naujas dalelių susidarymo metodas
Gravitacinės bangos yra tam tikro tipo erdvėlaikio raibuliavimas, paprastai kylantis kai kuriuose intensyviausiuose ir energingiausiuose Visatos procesuose, pavyzdžiui, kai susijungia dvi juodosios skylės arba neutroninės žvaigždės. Kita vertus, stochastines gravitacines bangas sukelia skirtingi reiškiniai, nedalyvaujant masyviems kosmologiniams objektams.
Atitinkamai, jų silpnesnis signalas sudaro daugybės bangų, judančių per mūsų Visatą, foninio triukšmo dalį. Tačiau jos dažnai būna labai senos. Daugelis jų atsiradimo reiškinių įvyko ankstyviausiuose mūsų Visatos vystymosi etapuose, pavyzdžiui, vadinamieji materijos faziniai virsmai, kai Visata vėso po karšto Didžiojo sprogimo, arba pirmykščiai magnetiniai laukai.
„Šiame straipsnyje nagrinėjame gravitacinių bangų, kurios, kaip manoma, buvo visur ankstyvojoje Visatoje, galimybę iš dalies virsti tamsiosios materijos dalelėmis“, – aiškino Koppas. „Tai veda prie naujo tamsiosios materijos susidarymo mechanizmo, kuris anksčiau nebuvo tirtas.“
Koppas ir Maleknejadas savo tyrime rodo, kad gravitacinės bangos galėjo lemti masės neturinčių arba beveik masės neturinčių fermionų susidarymą. Fermionų dalelių šeimai, be kita ko, priklauso elektronai, protonai ir neutronai. Šie ankstyvosios Visatos fermionai įgautų masę ir sudarytų tamsiosios materijos daleles, kurios egzistuoja iki šiol.
„Kitas žingsnis plėtojant šią tyrimų kryptį – peržengti mūsų analitinių įvertinimų ribas ir atlikti skaitinius skaičiavimus, siekiant pagerinti mūsų prognozių tikslumą. Kita būsimų tyrimų kryptis – tolesnio galimo gravitacinių bangų poveikio ankstyvojoje Visatoje tyrimas. Vienas iš pavyzdžių būtų mechanizmas, kuris galėtų paaiškinti gerai žinomą skirtumą tarp susidarančių dalelių ir antidalelių“, – sakė Koppas.
Azadeh Maleknejad et al, Gravitational-Wave Induced Freeze-In of Fermionic Dark Matter, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/lr69-45v8
Journal information:Physical Review Letters
Rekordinė gravitacinė banga padeda patikrinti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją
Nobelio fizikos premija: kas yra gravitacinės bangos?
Zondas „LISA Pathfinder“ gali atverti kelią gravitacinių bangų tyrimams