В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная напоминала кипящий котёл — сверхплотную, горячую плазму элементарных частиц. Согласно одной из гипотез, именно в этой среде могла родиться тёмная материя — невидимое вещество, которое своим гравитационным притяжением удерживает галактики от развала. Один из главных кандидатов на эту роль — аксион, гипотетическая частица, почти не взаимодействующая с обычным веществом: её влияние столь же слабо, как дуновение ветра.

Новое исследование показывает: аксион не остаётся стройным хором, поющим в унисон. В горячей плазме его поле — квантовое поле, пронизывающее пространство, — постепенно теряет когерентность, словно мелодия, которая затихает, уступая место какофонии случайных квантовых всплесков. Авторы работы вывели единое уравнение, описывающее, как в расширяющемся пространстве любое колебание аксиона распадается на две составляющие: упорядоченную волну (когерентное состояние, подобное лазерному лучу) и хаотичный набор частиц (некогерентную «тепловую ванну»). Это похоже на луч света, который, проходя сквозь туман, теряет яркость и порождает рассеянное свечение.

Самое интересное происходит с теми аксионами, что рождаются из шума. Плазма не успевает раскачать самые быстрые частицы, поэтому получившийся «суп» из тёмной материи оказывается холоднее, чем можно было бы ожидать. Его частицы движутся медленнее и пролетают меньшее расстояние, прежде чем Вселенная станет прозрачной. Это решает давнюю загадку: почему тёмная материя не собралась в плотные комки в ранней Вселенной, а осталась почти однородной.

Выходит, тепловая история аксиона определяет всё: сколько его вокруг нас, как быстро он движется и какую рябь оставил на космическом фоне. Из стройного хора рождается тихий, вездесущий гул — та самая тёмная материя, что держит на себе всю видимую Вселенную.