Содержание нестабильных частиц, составляющих тёмную материю, на ранних этапах развития Вселенной, сразу после Большого взрыва, не превышало 2-5%.
Согласно результатам исследований, доля нестабильных частиц, составляющих тёмную материю, в период, последовавший за Большим взрывом, не могла быть выше 2-5 МФТИ, Института ядерных исследований РАН, и Новосибирского государственного университета. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review D.
«Несоответствие космологических параметров, наблюдаемых в современной Вселенной и существовавших вскоре после Большого взрыва, может быть связано с уменьшением доли тёмной материи. Впервые удалось определить, насколько сократилось количество тёмной материи и каков был вклад нестабильной компоненты. Об этом сообщил соавтор исследования, академик Игорь Ткачёв, заведующий отделом экспериментальной физики ИЯИ РАН и преподаватель кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ.
Еще в 1930-х годах астрономы впервые высказали предположение о наличии значительного количества «скрытой массы» во Вселенной. Это подозрение возникло, когда Фриц Цвикки обнаружил аномалии в движении галактик в скоплении Волосы Вероники, которые указывали на то, что на них действует гравитация, исходящая от невидимого объекта. Эта скрытая масса, проявляющая себя исключительно через гравитационное воздействие, получила название тёмной материи. Анализ данных, полученных космическим телескопом «Планк», показывает, что доля тёмной материи во Вселенной составляет 26,8%, тогда как «обычная» материя занимает 4,9%, а тёмная энергия — 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.
Разницу в данных можно объяснить гипотезой о распаде тёмной материи. Она предполагает, что в ранней Вселенной концентрация тёмной материи была выше, и впоследствии часть её распалась. Данная модель получила название DDM (Decaying Dark Matter).
«Если допустить, что тёмная материя, подобно обычной, состоит из нескольких компонентов, то одна из них может включать нестабильные частицы. Их время жизни достаточно велико: на момент формирования водорода (сотни тысяч лет после Большого взрыва) они присутствуют во Вселенной, однако к настоящему времени (миллиарды лет) они уже распались, превратившись в нейтрино или гипотетические релятивистские частицы. В таком случае, плотность тёмной материи в эпоху образования водорода и в наши дни будет отличаться», — отмечает 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.
Анализ данных, полученных с помощью обсерваторий при изучении различных космологических эффектов, позволил определить, что относительная концентрация распадающейся компоненты тёмной материи 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.