Новые откровения о темной материи и реликтовых нейтрино

Группа изучения данных спутника «Планк», которая, в частности, включает в себя CNRS, CEA, CNES и несколько французских университетов, раскрыла на конференции в Ферраре, Италия, результаты четырех лет наблюдений. Спутник предназначен для исследований реликтового излучения. Этот свет был измерен точно по всему небу в первый раз по интенсивности и поляризации, тем самым воспроизводя самый старый образ Вселенной. Этот первоначальный свет позволяет нам "видеть" некоторые из самых неуловимых частиц во Вселенной: темную материю и реликтовые нейтрино.

Между 2009 и 2013 гг. спутник «Планк» наблюдал реликтовое излучение, которое иногда называют космическим микроволновым фоном (CMB). Сегодня, с полным анализом данных, качество карты такое, что отпечатки, оставленные темной материей и реликтовыми нейтрино, четко видны.

Уже в 2013 г., была выпущена карта вариаций интенсивности света, показывающая, где материя была в небе 380000 лет после Большого взрыва. Благодаря измерению поляризации этого света (для четырех из семи частот, на данный момент), «Планк» теперь мог увидеть, как этот материал обычно двигался. Наше видение изначальной Вселенной, таким образом, стало динамичным. Это новое измерение и качество данных позволяет проверить различные аспекты стандартной модели космологии. В частности, они проливают свет на самые неуловимые из частиц: темную материю и нейтрино.

Новые ограничения на темную материю позволяют теперь исключить целый класс моделей, в которых была важной аннигиляция темная материя-антиматерия.

Базис существования темной материи становится твердо установленным, но природа частиц темной материи остается неизвестной. Есть многочисленные гипотезы о физической природе этой материи, и одной из сегодняшних задач является их сокращение, например, с помощью поиска эффектов воздействия этой таинственной материи на обычную материю и свет. Наблюдения, выполненные «Планком», показали, что нет необходимости обращаться к существованию сильной аннигиляции темной материи и антиматерии, чтобы объяснить динамику ранней Вселенной. Такие события произвели бы достаточно энергии, чтобы оказать влияние на эволюцию потоков света и вещества в ранней Вселенной, особенно в период времени, когда испускалось реликтовое излучение. Однако самые последние наблюдения не дают никаких оснований, что это действительно имело место.

Эти новые результаты являются еще более интересным, если их сравнивать с измерениями, сделанными другими инструментами. Спутники «Ферми» и «Памела», а также эксперимент AMS-02 на борту Международной космической станции наблюдали избыток космических лучей, которые могут быть интерпретированы как следствие аннигиляции темной материи. Однако, учитывая наблюдения «Планка», может быть рассмотрено и другое объяснение для этих измерений, такое как излучение от не выявленных пульсаров, что сделает разумной гипотезу о том, что свойства частиц темной материи являются стабильными во времени.

Кроме того, группа подтвердила, что сегодня темная материя составляет немногим более, чем 26% Вселенной (цифры, вытекающие из анализа 2013 г.), и сделала более точные карты плотности материи на несколько миллиардов лет после Большого взрыва благодаря измерениям температуры и B-моды поляризации.

Новые результаты сотрудничества также сообщили о другом типе неуловимой частицы, нейтрино. Эти "призрачные" частицы, в изобилии производимые, например, нашим Солнцем, могут проходить через нашу планету почти без взаимодействия, что очень затрудняет их обнаружение. Поэтому не представляется возможным непосредственное обнаружение первых нейтрино, которые были созданы в течение первой секунды после Большого взрыва, и которые обладают очень малой энергией. Однако впервые «Планк» однозначно обнаружил эффект, который эти реликтовые нейтрино оказали на карту реликтового излучения.

Реликтовые нейтрино, обнаруженные «Планком», были испущены около одной секунды после Большого взрыва, когда Вселенная была еще непрозрачна для света, но уже прозрачна для этих частиц, которые могут свободно выходить из среды непрозрачной для фотонов, например, из ядра Солнца. 380 тыс. лет спустя, когда реликтовое излучение могло уже распространяться, оно несло на себе отпечаток нейтрино, потому что фотоны взаимодействовали с этими частицами посредством силы гравитации. Таким образом, наблюдения за самыми старыми фотонами позволили подтвердить свойства нейтрино.

Наблюдения «Планка» согласуются со стандартной моделью физики элементарных частиц. Они, по существу, исключают существование четвертого типа нейтрино, которое ранее считались возможным на основе окончательных данных спутника WMAP, США, предшественника «Планка». Наконец, «Планк» позволяет установить верхний предел значения массы нейтрино, принимаемое в настоящее время 0,23 эВ.

Температурная карта реликтового излучения (внизу слева) и крупные планы, рельефно, поляризации света в канале 353 ГГц (цвета соответствуют интенсивности теплового излучения галактической пыли)