Последняя космологическая работа заслуженного профессора физики Прана Натха исследует, как при рождении Вселенной темная материя и видимая Вселенная влияли друг на друга.
Физики давно предполагают, что наша Вселенная может не ограничиваться тем, что мы можем видеть. Наблюдая за гравитационными силами других галактик, они выдвинули гипотезу о существовании "темной материи", которая невидима для обычных форм наблюдения.
Пран Натх, заслуженный профессор физики Северо-Восточного университета имени Мэтьюса, говорит, что "95 % Вселенной темные, невидимые глазу".
"Однако мы знаем, что темная Вселенная существует благодаря своему гравитационному притяжению к звездам", - говорит он. Кроме гравитации, темная материя никогда не оказывала особого влияния на видимую Вселенную.
Однако вопрос о взаимосвязи между этими видимыми и невидимыми областями, особенно на этапе формирования Вселенной, оставался открытым.
Теперь, по словам Ната, появляется все больше доказательств того, что эти две якобы разные сферы на самом деле эволюционировали.
С помощью серии компьютерных моделей Натх и кандидат наук Цзиньчжэн Ли обнаружили, что видимый и скрытый сектора, как они их называют, скорее всего, эволюционировали в моменты после Большого взрыва, что оказало глубокое влияние на последующее развитие Вселенной.
По словам Ната, было время, когда некоторые физики фактически списывали скрытый сектор со счетов, поскольку мы можем объяснить большую часть того, что происходит в видимом секторе - то есть, если наши модели могут точно отобразить то, что мы видим, что происходит вокруг нас, зачем пытаться измерить то, что не имеет заметного эффекта?
"Вопрос в том, каково влияние скрытого сектора на видимый?" спрашивает Натх. "Но какое нам до этого дело? Мы можем объяснить все".
Но мы не можем объяснить все, утверждает Натх. Существуют аномалии, которые, похоже, не вписываются в так называемую "Стандартную модель" Вселенной.
По словам Ната, заблуждение о том, что видимый и скрытый сектора взаимно изолированы, основано на предположении, "что видимый и скрытый сектора развивались независимо друг от друга". Нат хочет перевернуть это предположение с ног на голову.
В новой работе, опубликованной в журнале Physical Review D, "Начальные условия Большого взрыва и самовзаимодействующая скрытая темная материя", написанной в соавторстве с Ли, Нат хочет задать, как он говорит, "более важный вопрос: Откуда мы знаем, что они развивались независимо?".
Чтобы проверить это предположение, Натх и его команда "ввели некоторые слабые взаимодействия" между двумя секторами в свои модели Большого взрыва. Этих незначительных взаимодействий было бы недостаточно, чтобы повлиять на результаты, скажем, экспериментов с ускорителями частиц, "но мы хотели посмотреть, какое влияние они окажут на видимый сектор в целом", - говорит Натх, - "со времени Большого взрыва до настоящего времени".
Даже при минимальном взаимодействии между двумя секторами Натх и его команда обнаружили, что влияние темной материи на видимую материю, из которой мы состоим, может оказывать существенное влияние на наблюдаемые явления.
Например, расширение Хаббла, которое в самых простых терминах говорит о том, что галактики удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется, содержит "довольно серьезную" разницу между тем, что предсказывает Стандартная модель, и тем, что наблюдалось. Модели Ната частично объясняют эту разницу.
Одна из основных переменных - температура скрытого сектора во время Большого взрыва.
Видимый сектор, как мы можем с уверенностью утверждать, в момент Большого взрыва был очень горячим. По словам Ната, "то, что мы видим, - это остатки того периода существования Вселенной".
Но, изучив эволюцию двух секторов, Натх и его команда смогли смоделировать оба условия - скрытый сектор, который начинался горячим, и другой скрытый сектор, который начинался холодным.
То, что они наблюдали, было удивительно: Несмотря на существенные различия между моделями, имеющие серьезные последствия для того, как выглядела Вселенная в ранние времена, и горячая, и холодная модели соответствовали видимому сектору, который мы можем наблюдать сегодня.
Наши нынешние измерения видимой Вселенной, другими словами, недостаточны для того, чтобы подтвердить, на какую сторону - горячую или холодную - упал скрытый сектор в самом начале.
Нат быстро отмечает, что это не провал эксперимента, а пример того, что математические модели опережают наши текущие экспериментальные возможности.
Дело не в том, что разница между горячим или холодным скрытым сектором не влияет на видимую Вселенную, а в том, что мы еще не провели эксперименты с достаточно высокой точностью. Нат упоминает телескоп Уэбба как один из примеров следующего поколения инструментов, которые смогут проводить такие точные наблюдения.
Конечная цель всей этой работы по моделированию - сделать более точные предсказания о состоянии Вселенной, о том, как она функционирует и что мы обнаружим, когда заглянем все глубже и глубже в ночное небо.
По мере того как наши эксперименты будут становиться все более точными, вопросы, заложенные в модели Ната - был ли скрытый сектор горячим или холодным? - найдут свои ответы, и эти уточненные модели помогут предсказать решения еще более глубоких вопросов.
"Что это значит?" спрашивает Натх. Человеческие существа, говорит он, "хотят найти свое место во Вселенной". И более того, "они хотят ответить на вопрос, почему существует Вселенная?".
"И мы исследуем эти вопросы. Это конечный поиск человеческих существ".