Может показаться, что скрытая сила притяжения между частицами темной материи заставляет космические структуры расти быстрее, но новые исследования показывают, что обычно они действуют наоборот.
Фото: AI/ScienceDaily.com
Темная материя, пребывающая для наблюдателя невидимой и реагирующей лишь на гравитацию, возможно, таит в себе куда более интригующие механизмы взаимодействия. Физики все чаще задумываются: а что, если частицы этой субстанции способны влиять друг на друга через некое скрытое силовое поле? Недавнее исследование, опубликованное в Журнале космологии и физики астрочастиц (JCAP), принесло неожиданный результат: дополнительное притяжение, ускоряющее слипание темной материи, одновременно парадоксальным образом замедляет формирование крупномасштабных структур Вселенной.
Предпосылки для подобной гипотезы возникли из-за высокоточных астрономических измерений, которые не всегда укладываются в стандартную космологическую модель. Скорость расширения пространства и темпы эволюции галактик иногда демонстрируют противоречивые тенденции. Наблюдения далеких областей космоса намекают на то, что в былые эпохи структуры росли медленнее, чем предсказывают теоретические выкладки. Изучение реликтового микроволнового фона, в свою очередь, указывает на более плотную группировку материи в различных масштабах, нежели ожидалось. Хотя эти отклонения невелики, они заставляют исследователей предполагать, что в стандартной модели отсутствует некий существенный элемент.
Почему ученые допускают существование темной силы. Интерес к потенциально существующей «темной силе» подогревается именно этими расхождениями. Логика подсказывает: если частицы темной материи ощущают дополнительное взаимодействие, недоступное обычному веществу, то оно должно проявляться исключительно в пределах темного сектора. Такое взаимодействие могло бы влиять на поведение вещества в галактических гало, на масштабах скоплений и всей Вселенной.
«То, что мы действительно знаем о темной материи, до сих пор было изучено только благодаря ее гравитационным эффектам, — поясняет Закари Вайнер, научный сотрудник Института теоретической физики «Периметр» и соавтор работы. — Это ограничивает возможность того, что темная материя может иметь дополнительные взаимодействия, которые скрыты от обычной материи».
Проверка силы, выходящей за пределы гравитации. Исследователи взялись за проверку теоретических моделей, в которых частицы темной материи подчиняются не только гравитации, но и дальнодействующей силе. Сопоставляя космологические данные с расчетами, они стремились выяснить, как подобное скрытое воздействие отражается на расширении Вселенной и росте ее крупномасштабной структуры. На первый взгляд кажется очевидным: если частицы притягиваются друг к другу дополнительно, они должны быстрее объединяться в сгустки, что могло бы объяснить избыточную плотность, наблюдаемую в некоторых данных.
«Первое, что вы ожидаете, — это то, что придание темной материи дополнительных сил притяжения должно стимулировать рост структуры быстрее, — комментирует Вайнер. — Но в то же время в игру вступает еще один эффект».
Неожиданное влияние на космическую эволюцию
В рассмотренных моделях дополнительная сила действительно повышает эффективность слипания темной материи. Однако она же меняет поведение частиц в процессе расширения Вселенной. Тот же самый механизм вынуждает частицы темной материи активно осуществлять передачу, что ослабляет их гравитационное воздействие. Это ослабление полностью компенсирует усиление притяжения, вызванное скрытой силой.
В итоге, несмотря на более интенсивную кластеризацию, гравитационный след на реликтовом излучении не усиливается. Более того, во многих случаях подобное взаимодействие подавляет рост космических структур.
Значение для моделей DESI и темной энергии. Результаты могут иметь значение для теорий, выходящих за рамки одной лишь стандартной модели.
ь темной материи. Некоторые объяснения, предложенные для недавних измерений с помощью спектроскопического прибора темной энергии (DESI), включают аналогичные взаимодействия между частицами темной материи.
По данным исследования, недавно обнаруженный механизм, вероятно, также влияет на многие из этих более сложных моделей. Любая теория, включающая скрытую силу притяжения, возможно, должна учитывать возможность того, что темная материя станет легче по мере существования Вселенной.
Более точные измерения будущих обсерваторов и обзорных исследований могут помочь ученым определить, какими скрытыми взаимодействиями может обусловливаться темная материя и какие возможности могут наблюдаться в наблюдениях.
«Все зачастую более тонкая, чем наша интуиция», — говорит он. — говорит Вайнер. «Именно поэтому мы должны продолжать проверять идеи».