Ученые определили объем темной материи, утраченной Вселенной

Новости МирТесен

В период, непосредственно последовавший за Большим взрывом, концентрация нестабильных частиц в составе тёмной материи не смогла превысить отметку в 2-5% от общего объема.

Согласно данным, полученным учеными из МФТИ, Института ядерных исследований РАН, и Новосибирского государственного университета. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review D.

«Различие между космологическими параметрами современной Вселенной и состоянием Вселенной вскоре после Большого взрыва можно объяснить уменьшением доли тёмной материи. Впервые нам удалось определить, насколько сократилось количество тёмной материи и какова была доля нестабильных компонентов», — отметил соавтор работы академик Игорь Ткачёв, руководитель отдела экспериментальной физики ИЯИ РАН и преподаватель кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ.

Еще в 1930-х годах XX века астрономы впервые высказали предположение о наличии значительного количества «скрытой массы» во Вселенной. Этот вывод был сделан после того, как Фриц Цвикки обнаружил аномалии в движении галактик скопления Волосы Вероники – они перемещались так, будто на них оказывалось гравитационное воздействие невидимого источника. Эта скрытая масса, проявляющая себя исключительно посредством гравитации, получила название тёмной материи. Согласно данным, полученным с космического телескопа «Планк», доля тёмной материи во Вселенной составляет 26,8%, в то время как на «обычную» материю приходится 4,9%, а на тёмную энергию – 68,3%.

Несмотря на то, что природа тёмной материи остаётся загадкой, предполагается, что её изучение поможет решить проблему, возникшую у учёных после анализа данных, полученных с космического телескопа «Планк». Этот аппарат позволил с высокой точностью определить колебания температуры реликтового микроволнового фона – «эха» Большого взрыва. Благодаря измерению этих флуктуаций, учёные смогли определить основные космологические параметры Вселенной в эпоху рекомбинации, наступившую примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва.

«Однако стало известно, что некоторые из этих показателей, в частности, параметр Хаббла, который определяет скорость расширения Вселенной, и параметр, характеризующий количество галактик в скоплениях, демонстрируют существенные отклонения от данных, получаемых в результате наблюдений за современной Вселенной, например, при непосредственном измерении скорости удаления галактик и исследовании скоплений. Это расхождение оказалось намного больше, чем известные нам погрешности и систематические ошибки. В связи с этим, вероятно, мы сталкиваемся с неизвестной нам ошибкой, либо состав древней Вселенной существенно отличался от современного», — говорит Ткачёв.

Различие в данных может быть объяснено гипотезой о распадающейся тёмной материи, предполагающей, что в ранней Вселенной её количество было больше, а затем часть этой массы распалась. Эта модель получила обозначение DDM (Decaying Dark Matter).

«Представим себе, что тёмная материя состоит из нескольких компонентов, подобно обычной материи (протоны, электроны, нейтроны, нейтрино, фотоны). И одна из этих компонент состоит из нестабильных частиц с достаточно большим временем жизни: на момент образования водорода (через сотни тысяч лет после Большого взрыва) они все еще присутствуют во Вселенной, а к настоящему моменту (миллиарды лет спустя) уже исчезли, распавшись на нейтрино или гипотетические релятивистские частицы. В этом случае количество тёмной материи в эпоху образования водорода и в наши дни будет различным», – пояснил ведущий автор исследования, профессор МФТИ и сотрудник ИЯИ РАН Дмитрий Горбунов.

Игорь Ткачёв, Дмитрий Горбунов и Антон Чудайкин, представляющие ИЯИ РАН, МФТИ и НГУ, провели анализ данных, полученных с помощью обсерватории «Планк», и сравнили их с моделью DDM и общепринятой ΛCDM, предполагающей наличие стабильной тёмной материи. Полученные результаты свидетельствуют о том, что модель DDM лучше описывает наблюдаемые данные. Тем не менее, исследователи выявили, что эффект гравитационного линзирования, связанный с искажением реликтового излучения гравитационным полем, существенно ограничивает допустимую долю распадающейся тёмной материи в рамках модели DDM.

На основе данных наблюдений различных космологических эффектов получена оценка относительной концентрации распадающейся компоненты тёмной материи, которая находится в диапазоне от 2% до 5%.

«По словам Ткачёва, в современной Вселенной концентрация тёмной материи на 5% ниже, чем в эпоху рекомбинации. На данный момент неизвестно, с какой скоростью происходил распад этой нестабильной составляющей. Возможно, тёмная материя продолжает разрушаться и в настоящее время, хотя это предполагает гораздо более сложную модель.