Доля нестабильных частиц в составе темной материи во времена сразу после Большого взрыва не превышала 2-5%, выяснили ученые из МФТИ, Института ядерных исследований РАН, и Новосибирского госуниверситета. Работа опубликована в журнале Physical Review D

«Расхождение космологических параметров в современной Вселенной и во Вселенной вскоре после Большого взрыва, можно объяснить тем, что доля темной материи уменьшилась. Мы впервые смогли рассчитать, на сколько темной материи стало меньше и насколько велика была нестабильная компонента», — говорит соавтор исследования академик Игорь Ткачев, заведующий отделом экспериментальной физики ИЯИ РАН и преподаватель кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ.

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. Согласно данным космического телескопа «Планк» доля темной материи во Вселенной составляет 26,8%, остальное приходится на «обычную» материю (4,9%) и темную энергию (68,3%).

Природа темной материи до сих пор остается неизвестной, однако, похоже, именно ее свойства 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», — говорит Ткачев.

Объяснить расхождение позволяет гипотеза распадающейся темной материи, согласно которой в ранней Вселенной темной материи было больше, затем часть ее распалась. Эта модель получила обозначение DDM (от Decaying Dark Matter).

«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», — говорит ведущий автор исследования, профессор МФТИ и сотрудник ИЯИ РАН Дмитрий Горбунов.

Авторы исследования, Игорь Ткачев, Дмитрий Горбунов и Антон Чудайкин из ИЯИ РАН, МФТИ и НГУ проанализировали данные «Планка» и сопоставили их с моделью DDM и общепринятой моделью ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter) 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», — говорит Ткачев.

Рисунок: Зависимость концентрации нестабильной компоненты черной материи F от скорости разлета гравитационно не связанных объектов Г (пропорциональной возрасту Вселенной) при рассмотрении разных комбинаций наблюдательных данных обсерватории Планка по нескольким космологическим явлениям.