Ученые из МФТИ, Института ядерных исследований (ИЯИ РАН) и Новосибирского госуниверситета произвели вычисления показывающие, что доля темной материи от эпохи рекомбинации (примерно 300 тысяч лет после Большого взрыва) до сегодняшнего дня уменьшилась примерно на 5%, сообщает пресс-служба МФТИ. Отчет об исследовании опубликован в журнале Physical Review D.

Впервые о том, что во Вселенной присутствует значительная доля некоей «скрытой массы», заговорили 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 тёмной материей. Согласно данным космического телескопа «Планк», доля темной материи во Вселенной составляет 26,8%, остальное приходится на «обычную» материю (4,9%) и тёмную энергию (68,3%). Темная материя не испускает электромагнитного излучения и потому недоступна для прямого наблюдения, но ее можно отследить по тому, как она проявляется в гравитационном взаимодействии и влияет на движение планет и звезд. 

Природа тёмной материи до сих пор остаётся неизвестной и является объектом изучения многих научных институтов. Как полагают ученые, её свойства помогут учёным решить проблему, возникшую перед ними после анализа результатов наблюдений космического телескопа «Планк». Когда телескоп с высокой точностью измерил флуктуации температуры реликтового микроволнового фона, учёные, опираясь на эти данные, 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 соавтор исследования академик Игорь Ткачёв, заведующий отделом экспериментальной физики ИЯИ РАН и преподаватель кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ.

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

«Представим, что тёмная материя состоит из нескольких компонент, как и обычная (протоны, электроны, нейтроны, нейтрино, фотоны). И одна компонента состоит из нестабильных частиц, чьё время жизни довольно большое: в эпоху образования водорода (сотни тысяч лет после Большого взрыва) они ещё есть во Вселенной, а к современному моменту (миллиарды лет) они уже исчезли, распавшись в нейтрино или гипотетические релятивистские частицы. Тогда количество тёмной материи в эпоху образования водорода и сегодня будет разным», — цитируется в сообщении пресс-службы объяснение ведущего автора исследования, профессора МФТИ и сотрудника ИЯИ РАН Дмитрия Горбунова.

Авторы исследования, Игорь Ткачёв, 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 тёмной материей. Сравнение показало, что DDM больше соответствует данным наблюдений. Однако учёные обнаружили, что эффект гравитационного линзирования, то есть искривления гравитационным полем реликтового излучения, сильно ограничивает долю распадающейся тёмной материи в модели DDM.

Использование данных наблюдений обсерватории различных космологических эффектов дало оценку относительной концентрации распадающейся компоненты тёмной материи в пределах от 2% до 5%.

«Расхождение космологических параметров в современной Вселенной и во Вселенной вскоре после Большого взрыва можно объяснить тем, что доля тёмной материи уменьшилась. Мы впервые смогли рассчитать, на сколько тёмной материи стало меньше и насколько велика была нестабильная компонента. Это означает, что в сегодняшней Вселенной на 5% меньше тёмной материи, чем было в эпоху рекомбинации. Мы сейчас не можем сказать, как быстро распалась эта нестабильная часть, возможно, что тёмная материя продолжает распадаться и сейчас, хотя это уже другая значительно более сложная модель», — отмечает Ткачёв.