Дефекты Вселенной и тёмная материя

Вселенная выглядит удивительно упорядоченной. Сила притяжения удерживает планеты на орбитах. Атомы подчиняются известным законам. Свет ведёт себя в далёких галактиках точно так же, как и в наших лабораториях. Заманчиво представить, что Большой взрыв нажал кнопку «вкл», установил законы физики и с тех пор оставил космический механизм работать самостоятельно. Но Вселенная далеко не так упорядочена, как кажется - и это даже хорошо.

Если бы материя распределялась абсолютно равномерно, у гравитации не было бы более плотных областей, которые она могла бы уплотнить ещё сильнее. Не было бы ни галактик, ни звёзд, ни планет. Вселенная была бы поразительно скучным местом, где даже не было бы никого, кто мог бы оценить, насколько она скучна.

Согласно ведущей космологической модели, крошечные первичные квантовые флуктуации выросли в обширную космическую сеть, которую мы наблюдаем сегодня. Инфляция — предполагаемый этап чрезвычайно быстрого расширения — могла растянуть флуктуации до астрономических масштабов. Затем гравитация потратила миллиарды лет на усиление этих различий.

Это многим знакомая история о космическом несовершенстве. Но, возможно, существовал и другой вид несовершенства, заложенный не в распределении материи, а в самих фундаментальных полях.

Эти гипотетические неровности называются топологическими дефектами. Они могут быть пережитками преобразований, произошедших, когда Вселенная была почти невообразимо молодой. Некоторые из них, возможно, сохранились до наших дней. А один особенно причудливый их вид мог бы даже помочь объяснить тёмную материю.

Его называют «вортон». Звучит как имя злодея из научно-фантастического фильма, но на самом деле это настоящий термин из физики. И, как мы скоро узнаем, у него довольно впечатляющая история происхождения.

Когда физике пришлось сделать выбор

Вернёмся в раннюю Вселенную, когда температуры и энергии были намного выше, чем всё, что мы (пока) можем создать сегодня. Некоторые взаимодействия, которые сейчас выглядят самостоятельными, когда-то, возможно, были объединены в одно. Мы уже знаем, например, что электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие входят в единую электрослабую теорию. Более смелые теории предполагают ещё более глубокую унификацию.

По мере расширения и охлаждения Вселенной лежащие в её основе поля могли претерпевать фазовые переходы — изменения своих предпочтительных конфигураций. Знакомые нам фазовые переходы – это, например, замерзание воды, но лучшей иллюстрацией этой ключевой идеи будет карандаш, стоящий вертикально на острие.

Пока он удерживает равновесие, ни одно горизонтальное направление не является для него предпочтительным. Поверните стол — картина останется прежней. Но в тот момент, когда карандаш падает, он обязательно начнёт указывать в какую-то сторону. Для падения сгодилось бы любое направление, но побеждает одно конкретное.

Примерно так и работает идея о спонтанном нарушении симметрии. Законы могут оставаться симметричными, даже если состояние, в которое придёт система, таковым не будет.

А теперь представьте себе миллион карандашей, стоящих на огромном столе. Встряхните стол — и они все упадут, но всё в разных направлениях. Разные группы карандашей найдут равновесие по-разному. И помирить эти разные группы между собой будет трудно.

Ранние этапы развития Вселенной, возможно, столкнулись с похожей проблемой. Отдалённые области не всегда могли согласовать между собой, какую конфигурацию вакуума примут их поля. Когда эти области вступали в контакт, несовместимые конфигурации могли оставлять после себя необычные структуры.

Это не буквальные «трещины в пространстве-времени» или места, где законы физики перестают действовать. Это должны быть стабильные или долговечные конфигурации полей, несущие следы более раннего фазового перехода.

Другими словами, Вселенная могла изменить своё состояние, не добившись полного согласования всех мельчайших деталей.

Точки, струны и стенки

Геометрия дефекта зависит от физических процессов, ответственных за его возникновение. Существуют три классических (теоретических) варианта дефектов: магнитные монополи, космические струны и доменные стенки.

Магнитные монополи - это точечные дефекты. У обычного магнита всегда есть северный и южный полюса; если разрезать магнит пополам, получится два магнита меньшего размера. Напротив, монополь, если бы он существовал, обладал бы изолированным магнитным зарядом. Некоторые теории великого объединения предсказывают существование таких объектов, потенциально огромной массы, сконцентрированных в крошечных областях.

Космические струны — это линейные дефекты. Не следует путать их с фундаментальными струнами из печально известной теории струн; по-видимому, у физиков-теоретиков просто закончились названия. Космическая струна может быть тоньше атомного ядра, но при этом содержать огромное количество энергии на единицу длины. Некоторые из них могли бы простираться на астрономические расстояния, искривлять свет своей гравитацией и генерировать гравитационные волны при колебаниях.

Доменные стенки — это поверхностные дефекты, разделяющие области с различными конфигурациями вакуума. Представьте себе огромную границу, разделяющую пространство на области, где поля распределились по-разному. Устойчивая сеть достаточно энергичных стен могла бы доминировать в космической эволюции и вызывать эффекты, несовместимые с тем, что наблюдают астрономы.

Все три варианта появляются лишь в определённых теоретических моделях. Мы не установили, что соответствующие переходы действительно произошли или что какие-либо из этих дефектов действительно сформировались. Тем не менее, эти модели дают нам увлекательную загадку: если бы такие структуры существовали в ранней Вселенной, то что с ними стало?

Почему узлы так трудно развязать

Термин «топологический» в отношении дефектов говорит о том, почему некоторые из них могут быть настолько упорными.

Представьте себе кофейную чашку и пончик. Они выглядят по-разному, но у каждого из них есть по одному отверстию. Если бы оба были сделаны из бесконечно гибкой глины, любой из них можно было бы преобразовать в другой, не разрывая его и не закрывая это отверстие. С шаром дело обстоит иначе. Превращение пончика в шар требует изменения его топологии.

Квантовые поля могут сталкиваться с аналогичными ограничениями. Их возможные состояния могут переплетаться вокруг дефекта таким образом, что их невозможно плавно «развязать», пока окружающее поле остаётся в обычном вакууме.

Это похоже на узел, завязанный на верёвке, сделанной в виде замкнутой петли. Тяните её, скручивайте, сдавливайте — узел останется на месте. Чтобы удалить его, нужно перерезать верёвку или иным образом допустить изменение, которое невозможно осуществить с помощью обычных манипуляций.

Такая «защита» может позволить дефекту сохраняться ещё долго после того, как исчезнут экстремальные условия его зарождения. Вселенная вокруг него остывает, формируются галактики, развиваются цивилизации, появляется интернет... Дефект же тем временем продолжает заниматься своими древними делами.

Однако топологическая защита не означает абсолютного «бессмертия» дефекта. Монополь может аннигилировать с антимополем. Космические струны могут пересекаться и вновь соединяться, приводя к разрыву петель. Эти петли колеблются, теряют энергию в виде гравитационных волн, а иногда и в виде излучения частиц, и в конечном итоге могут исчезнуть.

Если бы эти процессы происходили часто, они, возможно, оставили бы следы, которые могли бы обнаружить современные телескопы и детекторы. И именно здесь загадка становится ещё более странной.

Отсутствие доказательств (не есть доказательство отсутствия)

Космические струны было бы трудно скрыть, если бы их было достаточно много и они обладали достаточной энергией. Их гравитация могла бы давать гравитационное линзирование характерной формы. Если поместить достаточно прямую струну между Землёй и удалённой галактикой, мы могли бы увидеть два похожих изображения этой галактики, разнесённых друг от друга - причём иначе, чем при обычном линзировании массивным объектом. Астрономы уже обнаружили множество гравитационных линз. Однако ни одна из них не подтвердила наличие безошибочных признаков космической струны.

Струны также могли бы выдать себя с помощью гравитационных волн. Колеблющиеся петли должны вызывать пульсации в пространстве-времени; огромное количество таких струн могло бы генерировать фоновый сигнал.

LIGO и другие обсерватории обнаружили гравитационные волны, исходящие от слияний компактных объектов. Системы измерения периодов пульсаров работают на гораздо более низких частотах, используя пульсары в качестве чрезвычайно точных часов. NANOGrav и другие совместные проекты сообщили о наличии доказательств существования низкочастотного гравитационно-волнового фона. Однако его источник пока не установлен. Одним из ведущих объяснений являются двойные системы сверхмассивных чёрных дыр, а вклад космических струн по-прежнему остаётся среди исследуемых возможностей. Таким образом, во Вселенной не царит полная тишина — просто пока не удалось определить, кто там шумит.

Поиски монополей оказались столь же безуспешными. 14 февраля 1982 года физик Блас Кабрера зарегистрировал необычный сигнал, из которого можно было бы сделать вывод о прохождении магнитного монополя через его детектор. Это был потрясающий подарок ко Дню святого Валентина для физики элементарных частиц. К сожалению, за этим событием не последовало ни одного независимо подтверждённого случая обнаружения монополя. Одного интригующего события недостаточно, чтобы решить этот вопрос.

Некоторые теории усугубляют ситуацию, предсказывая слишком большое количество монополей. Если бы все эти массивные объекты сохранились, их совокупная плотность никак не совпала бы с параметрами наблюдаемой нами Вселенной. Космологи называют это «проблемой монополей».

Таким образом, перед нами стоят два взаимосвязанных вопроса. Почему мы не обнаружили предсказанных дефектов? И если некоторые из них всё же образовались, как Вселенной удалось избежать их влияния? Один из возможных ответов связан с исчезновением космического масштаба.

Инфляция проводит генеральную уборку

Инфляция могла привести к тому, что ранее существовавшие дефекты стали чрезвычайно редкими в пределах области, которую мы можем наблюдать. Представьте, что вы нанесли несколько точек на воздушный шарик, а затем раздули его до абсурдных размеров. Точки не исчезли, но расстояния между ними значительно увеличились. Теперь на вашем небольшом участке поверхности вы можете увидеть только одну точку или вообще ни одной.

Точно так же период экстремального космического расширения мог разбавить концентрацию монополей и других дефектов, образовавшихся до него. Они, возможно, всё ещё существуют где-то там, просто не в пределах нашего наблюдаемого окружения. Это элегантное решение, хотя сама инфляция остаётся скорее развивающейся теоретической моделью, чем полностью устоявшимся описанием самых ранних моментов жизни Вселенной.

И здесь есть одна загвоздка: инфляция не может стереть дефекты, возникшие позже. Их судьба зависит от времени переходов и деталей лежащей в основе теории. Некоторые из них могут аннигилировать. Другие — распадаться. Третьи же могут сохраниться в формах, которые мы пока даже не рассматривали.

А что, если космическая струна вовсе не исчезла? Что, если она свернулась в нечто меньшее, более странное и её теперь гораздо труднее обнаружить?

«Вортон»: петля, которая существует вечно

Обычные петли космических струн находятся под напряжением. Они стремятся сжаться, как растянутые резинки. Колеблясь и излучая энергию, они могут постепенно терять энергию, поддерживающую их форму.

Однако некоторые теоретические модели допускают, что струны могут нести электрические или иные сохраняющиеся токи. Их часто называют сверхпроводящими космическими струнами, хотя речь идёт о явлениях, далеко выходящих за рамки сверхпроводящих материалов, используемых в лабораторном оборудовании.

А теперь представьте, что такая струна образует петлю. Натяжение струны тянет её внутрь. Между тем ток, сохраняющийся заряд и связанный с ними угловой момент могут противодействовать сжатию. По мере того как петля сжимается, баланс между этими эффектами меняется. В некоторых моделях становится возможной стабильная конфигурация, прежде чем петля исчезнет. Результатом является вортон: замкнутая петля космической струны, поддерживаемая её внутренними свойствами.

Это не просто крошечное кольцо, вращающееся настолько быстро, что его держит центробежная сила. Предполагаемая стабильность обусловлена динамикой сохраняющихся токов и зарядов внутри струны.

Воротон может содержать огромную концентрацию энергии в компактной структуре. А поскольку его устойчивость будет связана с сохраняющимися величинами, он может существовать в течение космологических временных масштабов. Во всяком случае, таково предложение. Никто никогда не наблюдал воротон. Некоторые математические модели допускают существование устойчивых или долгоживущих экземпляров, в то время как другие говорят о петлях, которые в конечном итоге распадаются. Остаётся неизвестным, генерировала ли ранняя Вселенная необходимые типы струн, токов и петель.

Но представьте, что это произошло. Во время фазового перехода сформировалась сеть космических струн. По мере того как струны перемещались и воссоединялись, от них отрывались петли. Многие из них исчезали в результате излучения. Некоторые петли, по которым протекает ток, напротив, превратились в стабильные вортоны. Заметные струны исчезли, но осталась группа компактных остатков. И это подводит нас к вопросу о недостающей массе Вселенной.

Могут ли вортоны быть тёмной материей?

Тёмная материя невидима для обычных телескопов, но её гравитационное воздействие ощущается повсюду. Она помогает объяснить движения звёзд внутри галактик, поведение скоплений галактик, процесс формирования космических структур, и создаёт гравитационные линзы.

Мы не знаем, что это такое и из чего она состоит. Многие кандидаты представляют собой гипотетические частицы, такие как аксионы или слабовзаимодействующие массивные частицы. Но тёмная материя не обязательно должна состоять из обычных элементарных частиц. В принципе, компактные реликты также могут вносить вклад в невидимую массу.

Вортоны обладают некоторыми интересными свойствами. Они могут быть массивными, компактными, древними и, в зависимости от их свойств, трудно поддающимися непосредственному наблюдению. Достаточно многочисленная популяция могла бы оказывать гравитационное воздействие на материю и излучение, не испуская света. Однако существуют серьёзные возражения этой теории.

Во-первых, они должны были появиться. Затем они должны были сохраняться достаточно долго. Их количество должно быть точно определённым: слишком малое количество не окажет заметного влияния, а слишком большое может нарушить ход космической эволюции. Их возможные электрические заряды и другие взаимодействия также должны соответствовать наблюдательным ограничениям. И их коллективное поведение должно согласовываться с подробными данными о том, как тёмная материя сформировала Вселенную. Это весьма сложный процесс проверки гипотетической модели.

В некоторых моделях вортоны рассматриваются в качестве кандидатов на роль тёмной материи, однако нет никаких доказательств того, что именно они и составляют измеряемую нами тёмную материю. Да и открытие космических струн само по себе не станет автоматическим доказательством существования вортонов. Тем не менее эта возможность открывает неожиданную связь между двумя загадками: исчезнувшими реликтами фазовых переходов ранней Вселенной и недостающей гравитирующей материей в галактиках.

Возможно, некоторые из первичных дефектов не исчезли. Возможно, они эволюционировали в популяцию компактных выживших объектов, которые мы пытались идентифицировать под другим названием.

Вселенная, построенная на несовершенствах

Мы знаем, что крошечные первичные колебания плотности сыграли решающую роль в формировании галактик. Без этих ранних различий архитектура Вселенной не сложилась бы так, какой мы её видим сегодня. Топологические дефекты представляют собой отдельный, гораздо более гипотетический вид дефектов. Мы не знаем, возникали ли когда-либо во Вселенной космические струны, могут ли вортоны существовать в реальных условиях и имеют ли они какое-либо отношение к тёмной материи.

Но эта идея меняет наше представление о неизвестном. Возможно, недостающая масса Вселенной состоит не только из новых, неоткрытых пока элементарных частиц. Возможно, часть её состоит из структур, оставшихся после древних изменений в фундаментальных полях. Не дополнительный ингредиент, добавленный в космический рецепт, а остатки самого процесса приготовления.

У Вселенной было почти четырнадцать миллиардов лет, чтобы сгладить свои неровности. Возможно, она справилась с этой задачей на «отлично». И все же некоторые из её древнейших неровностей могут до сих пор существовать, неся в себе информацию об эпохе, которую мы не можем воссоздать.

И если вортоны окажутся реальными, одну из самых упорных загадок природы получится объяснить через нечто удивительно беспорядочное: через несколько узлов, которые Вселенной так и не удалось развязать.

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.