На протяжении более сорока лет ученые полагали, что в момент отделения от интенсивного излучения, заполнявшего молодую Вселенную, темная материя должна была быть холодной — этот процесс так и называется «вымораживание». Холодная темная материя движется медленно, и именно это свойство считалось критически важным для формирования галактик и крупномасштабных космических структур.
Именно поэтому физики долго отвергали в качестве кандидатов на роль темной материи быстро движущиеся частицы — например, нейтрино, потому что их высокие скорости, согласно существующих представлений, должны были сглаживать распределение вещества в ранней Вселенной, препятствуя образованию галактик. «Простейший кандидат на роль темной материи — легкий нейтрино — был исключен более 40 лет назад, поскольку он уничтожил бы структуры галактического масштаба вместо того, чтобы их породить», — объясняет Кит Олив, профессор Школы физики и астрономии Миннесотского университета.
Чтобы пересмотреть это предположение, исследовательская группа специалистов Миннесотского университета и Университета Париж-Сакле сосредоточилась на критическом, но малоизученном периоде космической истории — постинфляционном разогреве. Во время этой фазы Вселенная стремительно заполнялась частицами после окончания космической инфляции. Ученые проанализировали, как темная материя могла образоваться в этот энергетический период и что это означало бы для ее дальнейшего поведения.
Результаты расчетов показали, что темной материи не обязательно было рождаться холодной. Ее частицы могли отделиться от остального вещества, будучи еще ультрарелятивистскими — чрезвычайно горячими, — и успеть замедлиться до того, как начали формироваться галактики, по мере расширения Вселенной у них было достаточно времени для этого.
«Мы практически ничего не знаем о свойствах темной материи, — говорит Стивен Хенрих, аспирант и ведущий автор статьи. — В последние четыре десятилетия большинство специалистов считали, что при рождении в первичной Вселенной темная материя должна быть холодной. Наши результаты показывают, что это не так: она может быть раскаленной при рождении, потому что до начала формирования галактик она все равно успеет остыть».
Теперь ученые собираются искать способы подтвердить свои расчеты экспериментально — с помощью коллайдеров, экспериментов по рассеянию или астрономических наблюдений. «Благодаря нашим открытиям мы, возможно, сможем заглянуть в период истории Вселенной, очень близкий к Большому взрыву», — отмечает Янн Мамбрини из Университета Париж-Сакле.
Ранее при помощи новой теории гравитации ученые объяснили космическое ускорение без участия темной энергии.
