Андрей Морозов
Карта видимой части Вселенной. Вполне может оказаться, что за счет «утечек» темной материи Универсум худеет. Фото пресс-службы МФТИ
В ночь на воскресенье, 25 декабря, в Принстоне, штат Нью-Джерси (США), на 88 году жизни тихо ушла из жизни знаменитый астроном Вера Рубин. А знаменита она была тем, что именной ей удалось доказать существование так называемой темной материи во Вселенной. В частности, она выявила расхождения между предсказанным угловым вращением галактик и наблюдаемым движением. По ее мнению, это могло объясняться только одним - влиянием темной материи.
Темная материая - это один из фундаментальных концептов современной космологии…
«По современным космологическим представлениям, физическая материя во Вселенной составляет всего около 4%, – пояснял руководитель Долгопрудненской научной станции Физического института РАН Юрий Стожков. – 22% приходится на темную материю. Никаких признаков темной материи мы пока не имеем. А остальные 74% – это темная энергия» (см. «НГ-науку» от 28.01.09).
С тех пор с помощью космического телескопа «Планк» удалось несколько уточнить эти данные: доля темной материи во Вселенной составляет 26,8%, остальное приходится на «обычную» материю (4,9%) и темную энергию (68,3%). Ищут же темную материю по соотношению потоков протонов и антипротонов. Сколько в нашей Галактике рождается антипротонов – известно. И если вдруг появятся дополнительные их источники (экзотические каналы – как называют их физики), это сразу почувствуют приборы.
Но природа (качественный и количественный состав) 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 Вселенной – «эха» Большого взрыва. Измеряя эти флуктуации, ученые смогли вычислить ключевые космологические параметры Вселенной в эпоху рекомбинации – примерно через 300 тыс. лет после Большого взрыва. Мгновение ока по космическим масштабам!
И вот – новые результаты исследований в этой чрезвычайно интригующей области космологии.
Доля нестабильных частиц в составе темной материи во времена сразу после Большого взрыва не превышала 2–5%. По крайней мере об этом говорят результаты исследований команды ученых из Московского физико-технического института, Института ядерных исследований РАН и Новосибирского государственного университета. Их 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.
Тут необходима короткая историческая справка. Астрономы впервые заподозрили, что во Вселенной присутствует значительная доля «скрытой массы» еще в 1930-х годах ХХ 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.
Действительно, во Вселенной суммарная плотность всех типов нейтрино – около 350 частиц в 1 куб. см. Плотность нейтрино заметно меньше, чем 10% полной плотности вещества во Вселенной. Значит, оставшиеся 90% вещества во Вселенной не нейтрино. Что же это такое? Плотность других известных частиц, протонов и нейтронов, во Вселенной тоже небольшая – меньше 5%.
 |
| Чем старее Вселенная, тем меньше в ней
темной материи. 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. Фото предоставлено пресс-службой МФТИ |
«Итак, более 85% вещества во Вселенной составляют неизвестные нам сегодня частицы, – подчеркивал академик Анатолий Рубаков. – Похоже, что есть обычные частицы, известные и не известные еще нам, и есть заметная часть, примерно 70%, энергии в совершенно другой форме. В форме, если можно так сказать, вакуумоподобной: однородная и разлитая по всей Вселенной энергия. Если бы вакуум имел небольшую, но конечную плотность энергии, то как раз она бы подходила для того, чтобы описать динамику Вселенной… Похоже, что в последние две трети жизни Вселенной в ней доминирует вот такая вакуумоподобная энергия» (см. «НГ-наука» от 27.04.05).
«Однако выяснилось, что некоторые из этих космологических параметров Вселенной в эпоху рекомбинации, 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, – говорит академик Ткачев. – 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».
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).
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 (Lambda-Cold Dark Matter) со стабильной темной материей. Сравнение показало, что DDM больше соответствует данным наблюдений. Однако ученые обнаружили, что эффект 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», – поясняет Игорь Ткачев.
«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 Дмитрий Горбунов.
Исследование, проведенное группой российских физиков, позволило создать очень красивую модель с темной материей. Однако, можно заметить, что это не единственный и тем более не окончательный вариант космологической эволюции.
Как бы там ни было, но, похоже, ученым сегодня становится все яснее, что происходило со Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва, около 14 млрд лет назад. Что было со Вселенной потом – более или менее понятно: после Большого взрыва она начала экспоненциально расширяться (так называемая инфляционная стадия). За время около 10–30 секунд Вселенная раздулась до наблюдаемых сегодня размеров. А потом начала разлетаться в соответствии со стандартной «горячей» моделью. Спустя полмиллиона лет, расширяющееся огненное облако оставило циклопическое количество нейтрального газа, в основном водорода и немного гелия. Следующий этап – холодный газ стал собираться в галактики, возникли звезды, в космосе появился свет...
Потом началась химическая эволюция вещества, следом – биологическая, появилась жизнь во Вселенной и, наконец, – человек, Homo sapience, на одной из заурядных планеток на самом краю рядовой галактики. И вот он теперь все активнее пытается понять, как была устроена его космическая колыбель.
