על פי התיאוריה החדשה, המוצעת על ידי פיזיקאים תאורטיים מדרום קוריאה, חומר אפל נולד מכדורי פרמי, "שקיות" קוונטיות של חלקיקים תת -אטומיים שהיו ארוזים ב"כיסים "צפופים במהלך שחר היקום. תיאוריה זו טוענת שהיא מסבירה את העובדה מדוע החומר האפל החל לשלוט ביקום על פני חומר רגיל וגלוי.
פיזיקאים תיאורטיים במרכז לפיזיקה תיאורטית באוניברסיטה הלאומית של סיאול בדרום קוריאה הציעו כי החומר האפל המסתורי והחמקמק עשוי להיות מורכב מכדורי פרמי שנקראו מהמפץ הגדול. הם פרסמו את מאמרו באתר ההדפסה האלקטרונית arXiv.org.
כדורי פרמי הם אובייקטים קוסמולוגיים היפותטיים שיכולים להופיע בתנאי היקום הקדום ביותר עקב שבירת סימטריה ספונטנית ומעבר השלב שלאחר מכן. אין לבלבל אותן עם בועות פרמי, מבנים ענקיים בשביל החלב הנקראים על שם טלסקופ קרני הגמא של פרמי שנוצרו על ידי פעילות החור השחור העל-מסיבי המרכזי.
חומר אפל הוא חומר מסתורי המתקשר עם חומר רגיל רק באמצעות כוח הכבידה ואינו מתקשר עם אור. פעם הועלו השערות לפיהן חומר אפל עשוי להיות מורכב מחורים שחורים זעירים המחלחלים ליקום, אך אומדנים מספריים כללו אפשרות כזו: מספר החורים השחורים, כמו גם חורים שחורים במסת כוכבים, הוא קטן מכדי להתכנס ל"תקציב היקום ", הידוע מנתוני ניסוי שונים (ממצפה החלל של פלאנק, מתצפיות על סופרנובות וכו '): צריך להיות רק 5% מהחומר הרגיל (באריוני), 27% מהחושך חומר ו -68% מהאנרגיה האפלה. בכל ההיסטוריה של היקום לא נוצרו כל כך הרבה כוכבים שאחרי מותם הם הולידו מספר מספיק של חורים שחורים שמסתם תסביר את כל כמות החומר האפל הזמין. כרגע, התיאוריה של חומר אפל קר נחשבת סטנדרטית, והמועמדים הסבירים ביותר לתפקיד החלקיקים המרכיבים אותה הם ה- WIMPs שטרם התגלו - חלקיקים מסיביים בעלי אינטראקציה חלשה.
על פי התיאוריה החדשה, החורים השחורים המבוקשים היו יכולים לנבוע פעם מכדורי פרמי או מ"שקיות "קוונטיות של חלקיקים תת -אטומיים - פרמיונים - שהתערבבו ב"כיסים" צפופים במהלך מוצא היקום. תיאוריה זו טוענת שהיא מסבירה את העובדה מדוע החומר האפל החל לשלוט ביקום על פני חומר רגיל וגלוי.
"גילינו שבמקרים מסוימים הכדורים של פרמי יכולים להיות ארוזים עד כדי כך שהפרמיונים בהם היו קרובים מדי זה לזה, הדבר גרם לכדור הפרמי להתמוטט ולהפוך אותו לחור שחור", אמר חוקר במרכז פיזיקה תיאורטית באוניברסיטת Ke-Pan Se הלאומית בסיאול בראיון ל- Live Science.
שי ועמיתו Kiyoharu Kavanagh מאותו מרכז לפיזיקה תיאורטית פיתחו תרחיש המסביר כיצד החומר האפל החל לשלוט בחלל. בתקופה בה היקום היה פחות משנייה, התרחשו בו טרנספורמציות מדהימות של חוקים פיזיים. החלקיקים נפלו למלכודות, והצטרפו למבנים כה קומפקטיים עד שהם יכלו להתמוטט ולהפוך לחורים שחורים. ואז החורים השחורים האלה מילאו את היקום כולו, וסיפקו את אותו "תקציב" שנקבע בשיטות ניסיוניות - הדומיננטיות הברורה של שני מרכיבים אחרים שעדיין לא ניתן לזיהוי על פני חומר בריוני רגיל.
חורים שחורים, כמו חומר אפל, אינם פולטים אור, כך שהם, באופן עקרוני, יכולים להפוך למקור של מסת מסתורית. "מכיוון שחורים שחורים הם אובייקטים לא זוהרים וקומפקטיים, יש להתייחס למועמדי החומר האפל שלהם בצורה הטבעית ביותר", אומרת שי.
התנאים הקיצוניים שהיו קיימים ביקום הקדום ביותר מאפשרים שינויים בתהליכים פיזיים שכבר בלתי אפשריים בתנאים הרגילים של המרחב המודרני. המרכיב הראשון בתיאוריה החדשה הוא שדה סקלרי, בדומה לשדה היגס, המחלחל לכל החלל ונותן לחלקיקים את המסה שלהם. כאשר היקום התרחב והתקרר, שדה סקלרי זה עבר מעבר פאזה, שעבר למצב מכני קוונטי אחר. מעבר שלב זה לא השפיע בו זמנית על היקום כולו בבת אחת. בתחילה הופיעו רק אזורים נפרדים, בהם המעבר כבר החל, ואז הכל התפשט עוד יותר, בדומה לאופן בו מים רותחים בסיר ויוצרים בועות גדולות יותר ויותר. "תהליך זה נקרא מעבר שלב מסדר ראשון: מים עוברים משלב נוזלי למצב גזי, אך בתחילה הגז מופיע רק בצורה של בועות גדלות", הסביר צ'ה.
המצב החדש של השדה הסקלרי, שהופך כעת למצב הקרקע, מתפשט מנקודות אלה בדומה לזרם של בועות רותחות. בסופו של דבר, הבועות מתמזגות לחלוטין זו עם זו, ושדה הסקלרים משלים את מעבר השלב שלו.
עם זאת, כדי ליצור חורים שחורים קדומים שהם חומר אפל, שי וקוואנה נזקקו למרכיב נוסף. הם הוסיפו סוג חדש של פרמיון לדגם שלהם. פרמיונים הם חלקיקים עם ספין חצי שלם, הכוללים אלקטרונים, פרוטונים ונויטרונים המרכיבים את כל האטומים הרגילים.
ביקום המוקדם מאוד, פרמיונים אלה נעו בחופשיות בשדה סקלרי, אך הם לא יכלו לחדור ל"בועות "הקצפות הקטנות של מצב הקרקע החדש של הקוסמוס במהלך מעבר השלב שתואר לעיל. ככל שהבועות גדלו, הצטברו הפרמיונים בכיסים הנותרים והפכו לכדורי פרמי. עם זאת, היה כוח נוסף שפועל בין הפרמיונים הללו, המכונה אינטראקציה Yukawa, שנגרם מאותו שדה סקלרי שהציעו התיאורטיקנים הדרום קוריאנים בעיתונם. פרמיונים בדרך כלל נמנעים מליפול לאותו מצב קוונטי ולנפחים קטנים, אך השדה הסקלרי הוסיף להם את כוח האינטראקציה שדחק את הדחייה הטבעית הזו. נניח שהפרוטונים והניוטרונים עשויים מחלקיקים קטנים עוד יותר הנקראים קווארקים. קווארקים הם גם פרמיונים, ונמנעים מליפול לאותו מצב, אך הכוח הגרעיני הנוסף (אינטראקציה חזקה) מדביק אותם. אנלוגי של כוח כזה הוא אינטראקציה Yukawa הפועלת במודל Se and Kavanagh.
על פי התיאוריה הדרום קוריאנית, לאחר שהמעבר הפאזי הושלם, גורלם של כדורי הפרמי נחתם. חבילות הפרמיונים, שנסחטו ל"כיסים "קטנים של היקום המשתנה במהירות, התמוטטו באופן קטסטרופלי ויצרו מספר עצום של חורים שחורים זעירים. החורים השחורים הללו שרדו את סוף המעבר השלב ומילאו את היקום בצורה של חומר אפל.