La discrepanza tra i parametri cosmologici nell'Universo moderno e l'Universo poco dopo il Big Bang può essere spiegata dal fatto che la proporzione di materia oscura è diminuita. Gli autori dello studio potrebbero calcolare quanta materia oscura potrebbe essere andata persa e quale sarebbe la dimensione corrispondente del componente instabile. I ricercatori possono esplorare quanto velocemente questa parte instabile decade e dire se la materia oscura si sta ancora disintegrando. Credito:MIPT
Scienziati russi hanno scoperto che la proporzione di particelle instabili nella composizione della materia oscura nei giorni immediatamente successivi al Big Bang non era superiore al 2-5 percento. Il loro studio è stato pubblicato in Revisione fisica D .
"La discrepanza tra i parametri cosmologici nell'universo moderno e l'universo subito dopo il Big Bang può essere spiegata dal fatto che la proporzione di materia oscura è diminuita. Ora abbiamo, per la prima volta, stato in grado di calcolare quanta materia oscura avrebbe potuto essere persa, e quale sarebbe la dimensione corrispondente del componente instabile, " afferma il coautore Igor Tkachev del Dipartimento di Fisica Sperimentale dell'INR.
Gli astronomi sospettarono per la prima volta che ci fosse una grande proporzione di massa nascosta nell'universo negli anni '30, quando Fritz Zwicky ha scoperto "peculiarità" in un ammasso di galassie nella costellazione Coma Berenices, le galassie si sono mosse come se fossero sotto l'effetto della gravità da una fonte invisibile. Questa massa nascosta, che si deduce solo dal suo effetto gravitazionale, è stato dato il nome di materia oscura. Secondo i dati del telescopio spaziale Planck, la proporzione di materia oscura nell'universo è del 26,8 per cento; il resto è materia "ordinaria" (4,9 per cento) ed energia oscura (68,3 per cento).
La natura della materia oscura rimane sconosciuta. Però, le sue proprietà potrebbero potenzialmente aiutare gli scienziati a risolvere un problema sorto dopo aver studiato le osservazioni del telescopio Planck. Questo dispositivo misurava accuratamente le fluttuazioni della temperatura della radiazione cosmica di fondo a microonde, l'"eco" del Big Bang. Misurando queste fluttuazioni, i ricercatori sono stati in grado di calcolare i parametri cosmologici chiave utilizzando le osservazioni dell'universo nell'era della ricombinazione, circa 300, 000 anni dopo il Big Bang.
Però, quando i ricercatori hanno misurato direttamente la velocità di espansione delle galassie nell'universo moderno, si è scoperto che alcuni di questi parametri variavano in modo significativo, vale a dire il parametro Hubble, che descrive il tasso di espansione dell'universo, e anche il parametro associato al numero di galassie negli ammassi. "Questa varianza era significativamente superiore ai margini di errore e agli errori sistematici a noi noti. Pertanto, o abbiamo a che fare con un qualche tipo di errore sconosciuto, o la composizione dell'universo antico è considerevolmente diversa dall'universo moderno, " dice Tkachev.
La concentrazione della componente instabile della materia oscura F contro la velocità di espansione di oggetti non legati alla gravità (proporzionale all'età dell'Universo) quando si esaminano varie combinazioni di dati di Planck per diversi fenomeni cosmologici. Credito:MIPT
La discrepanza può essere spiegata dall'ipotesi del decadimento della materia oscura (DDM), che afferma che nell'universo primordiale, c'era più materia oscura, ma poi una parte di essa decadde.
"Immaginiamo che la materia oscura sia composta da più componenti, come nella materia ordinaria (protoni, elettroni, neutroni, neutrini, fotoni). E un componente è costituito da particelle instabili con una durata di vita piuttosto lunga. Nell'era della formazione dell'idrogeno, centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang, sono ancora nell'universo, ma ormai (miliardi di anni dopo), sono scomparsi, essendo decaduto in neutrini o ipotetiche particelle relativistiche. In quel caso, la quantità di materia oscura nell'era della formazione dell'idrogeno e oggi sarà diversa, ", afferma l'autore principale Dmitry Gorbunov, professore al MIPT e membro dello staff all'INR.
Gli autori dello studio hanno analizzato i dati di Planck e li hanno confrontati con il modello DDM e il modello standard ΛCDM (Materia oscura fredda Lambda) con materia oscura stabile. Il confronto ha mostrato che il modello DDM è più coerente con i dati osservativi. Però, i ricercatori hanno scoperto che l'effetto della lente gravitazionale (la distorsione della radiazione cosmica di fondo a microonde da parte di un campo gravitazionale) limita notevolmente la proporzione di materia oscura in decadimento nel modello DDM.
Utilizzando i dati delle osservazioni di vari effetti cosmologici, i ricercatori sono stati in grado di fornire una stima della concentrazione relativa dei componenti in decadimento della materia oscura nella regione dal 2% al 5%.
"Ciò significa che nell'universo di oggi, c'è il 5% in meno di materia oscura rispetto all'era della ricombinazione. Al momento non siamo in grado di dire quanto velocemente questa parte instabile sia decaduta; la materia oscura potrebbe ancora disintegrarsi anche adesso, anche se questo sarebbe un modello diverso e notevolmente più complesso, " dice Tkachev.
