Астрофизики считают, что гипотетическая темная материя составляет 26,8% от общей массы Вселенной (вместе с темной энергией — 95,1%), но что она из себя представляет, науке до сих пор неизвестно.

Учёные из США предложили новую теорию. По их математическим моделям, темная материя могла возникнуть в ранней Вселенной из-за столкновения безмассовых частиц, которые затем теряли энергию и превращались в холодные и тяжелые частицы, как пар превращается в воду. Эта теория уникальна тем, что ее можно проверить, анализируя реликтовое излучение, которое заполняет Вселенную.

«Тёмная материя начала свое существование как почти безмассовые релятивистские частицы, почти как свет, — говорит Роберт Колдуэлл из Дартмутского колледжа, автор статьи. — Это противоречит общепринятому представлению о тёмной материи как о холодных сгустках, придающих галактикам массу. Наша теория объясняет, как эти частицы перешли из состояния света в состояние сгустков».

Исследователи считают, что темная материя образовалась на раннем этапе существования Вселенной из-за столкновения высокоэнергетических безмассовых частиц. Эти частицы потеряли свою энергию и приобрели невероятную массу. После Большого взрыва в космосе доминировали горячие, быстро движущиеся фотоны — безмассовые частицы света. Между фотонами с противоположными спинами возникало притяжение, похожее на взаимодействие магнитных полюсов, и они объединялись в пары.

По мере охлаждения этих частиц дисбаланс в их спинах приводил к резкому падению энергии, как пар превращается в воду. В результате появились холодные, тяжелые частицы, которые, по мнению ученых, и стали темной материей.

Авторы исследования предложили теоретическую частицу, которая могла запустить этот процесс. Однако они также отметили, что аналогичный переход может происходить с электронами. При низких температурах два электрона могут образовывать куперовские пары, проводящие электричество без сопротивления. Это доказывает, что безмассовые частицы могут конденсироваться в темную материю.

«Мы обратились к сверхпроводимости, чтобы понять, может ли определенное взаимодействие вызвать такое резкое падение энергии, — сказал Колдуэлл. — Куперовские пары показывают, что такой механизм действительно существует».

Эта метаморфоза частиц объясняет огромный дефицит плотности энергии во Вселенной по сравнению с ее ранними днями. С момента Большого взрыва плотность энергии постепенно снижалась из-за расширения Вселенной. Но новая теория также объясняет увеличение плотности массы.

«Структуры получают массу благодаря плотности холодной темной материи, — говорит Лян Гуанмин, второй автор исследования. — Но также должен быть механизм, который снижает плотность энергии до уровня, наблюдаемого сегодня. Красота нашей математической модели в том, что она проста и основана на уже известных идеях и временных последовательностях».

Согласно теории, пары частиц перешли в холодное состояние почти без давления, стали медленнее и тяжелее. Эти частицы можно обнаружить на фоне реликтового излучения — это изучают несколько крупномасштабных научных проектов.

Американские астрофизики также предложили теорию о формировании сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной, когда, по известным законам, они не могли появиться. В основе их гипотезы лежит поток ультрафиолетового излучения, который разлагает молекулы водорода и создает условия для зарождения чёрных дыр.