Ученые из МФТИ, Института ядерных исследований РАН и Новосибирского госуниверситета выяснили, что доля нестабильных частиц в составе темной материи во времена сразу после Большого взрыва не превышала 2-5%. Работа опубликована в журнале Physical Review D.
Астрономы впервые заподозрили, что во Вселенной присутствует значительная доля «скрытой массы» еще в 1930-х годах 20 века, когда Фриц Цвикки обнаружил «странности» в скоплении галактик в созвездии Волосы Вероники — галактики двигались так, как будто бы на них действует гравитация от некоего невидимого источника. Эту скрытую массу, которая не проявляет себя никак, кроме гравитационного воздействия, назвали темной материей. Ее природа до сих пор остается неизвестной, однако именно свойства темной материи помогут ученым решить проблему, возникшую перед ними после анализа результатов наблюдений космического телескопа «Планк». Этот аппарат с высокой точностью измерял флуктуации температуры реликтового микроволнового фона — «эха» Большого взрыва. Измеряя эти флуктуации, ученые смогли вычислить ключевые космологические параметры Вселенной в эпоху рекомбинации — примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва.
«Однако выяснилось, что некоторые из этих параметров, а именно параметр Хаббла, описывающий скорость расширения Вселенной, а также параметр, связанный с количеством галактик в скоплениях, значительно расходятся с данными, которые мы получаем из наблюдений за современной Вселенной, например, непосредственно измеряя скорость разлета галактик и исследуя скопления. Это расхождение оказалось значительно больше погрешностей и известных нам систематических ошибок. Поэтому либо мы имеем дело с некоей неизвестной нам ошибкой, либо состав древней Вселенной существенно отличался от современного», — сказал академик Игорь Ткачев, соавтор исследования, а также заведующий отделом экспериментальной физики ИЯИ РАН и преподаватель кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ.
Объяснить расхождение позволяет гипотеза распадающейся темной материи, согласно которой в ранней Вселенной темной материи было больше, затем часть ее распалась. «Представим, что темная материя состоит из нескольких компонент, как и обычная (протоны, электроны, нейтроны, нейтрино, фотоны). И одна компонента состоит из нестабильных частиц, чье время жизни довольно большое: в эпоху образования водорода (сотни тысяч лет после Большого взрыва) они еще есть во Вселенной, а к современному моменту (миллиарды лет) они уже исчезли, распавшись в нейтрино или гипотетические релятивистские частицы. Тогда количество темной материи в эпоху образования водорода и сегодня будет разным», — пояснил Дмитрий Горбунов, ведущий автор исследования, профессор МФТИ и сотрудник ИЯИ РАН.
Авторы работы проанализировали данные «Планка» и сопоставили их с моделью DDM (предполагающей исчезновение части темной материи) и общепринятой моделью ΛCDM (со стабильной темной материей). Сравнение показало, что DDM больше соответствует данным наблюдений. Однако ученые обнаружили, что эффект гравитационного линзирования, то есть искривления гравитационным полем реликтового излучения, сильно ограничивает долю распадающейся темной материи в модели DDM.
Использование данных наблюдений обсерватории различных космологических эффектов дало оценку относительной концентрации распадающейся компоненты темной материи в пределах от 2% до 5%. «Это означает, что в сегодняшней Вселенной на 5% меньше темной материи, чем было в эпоху рекомбинации. Мы сейчас не можем сказать, как быстро распалась эта нестабильная часть, возможно, что темная материя продолжает распадаться и сейчас, хотя это уже другая значительно более сложная модель», — сказал Ткачев.
