Один из наиболее интригующих вопросов современной космологии – подчиняется ли темная материя тем же физическим законам, что и обычное вещество. Эта невидимая форма материи, не излучающая и не отражающая свет, остается гипотетической и крайне сложной для прямого изучения. Недавно ученые из Университета Женевы (UNIGE) и их коллеги провели исследование, чтобы выяснить, ведет ли себя темная материя предсказуемым образом в самых больших масштабах или на нее могут влиять другие силы. Их работа, опубликованная в журнале Nature Communications, указывает на то, что темная материя действительно действует во многом подобно обычной, хотя пока нельзя полностью исключить возможность дополнительного, ранее неизвестного взаимодействия. Учитывая, что темная материя, предположительно, в пять раз превосходит по объему обычную, даже небольшое новое открытие помогает прояснить ее роль в формировании Вселенной.
Известно, что на обычную материю действуют четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнетизм, а также сильное и слабое взаимодействия внутри атомов. Главный вопрос заключается в том, реагирует ли темная материя на этот же набор сил. Хотя она невидима и ее трудно обнаружить, она все же может следовать этим знакомым законам или, возможно, находиться под влиянием некой пятой силы, которую ученые еще не идентифицировали.
Для изучения этого вопроса команда под руководством UNIGE исследовала, погружается ли темная материя в так называемые гравитационные колодцы так же, как это делает обычная материя в космических масштабах. Массивные объекты искажают структуру пространства, образуя эти колодцы. Обычная материя – планеты, звезды и галактики – попадает в них согласно установленным физическим принципам, включая общую теорию относительности Эйнштейна и уравнения Эйлера. Исследователи стремились понять, ведет ли себя темная материя столь же предсказуемо.
«Чтобы ответить на этот вопрос, мы сравнили скорости галактик во Вселенной с глубиной гравитационных колодцев», – объясняет Камиль Бонвен, доцент кафедры теоретической физики на факультете естественных наук UNIGE и соавтор исследования. «Если темная материя не подвержена влиянию пятой силы, то галактики, которые по большей части состоят из темной материи, будут падать в эти колодцы подобно обычной материи, подчиняясь исключительно гравитации. С другой стороны, если пятая сила воздействует на темную материю, это повлияет на движение галактик, которые тогда будут падать в колодцы иначе. Сравнивая глубину колодцев со скоростями галактик, мы можем таким образом проверить наличие такой силы».
Используя этот метод и современные космологические данные, ученые обнаружили, что темная материя движется в гравитационных колодцах так же, как и обычная материя, что согласуется с уравнениями Эйлера. Однако, как отмечает Настасья Гримм, первый автор исследования и бывший постдокторант кафедры теоретической физики UNIGE, а ныне сотрудник Института космологии и гравитации в Университете Портсмута: «На данном этапе эти выводы пока не исключают присутствия неизвестной силы. Но если такая пятая сила существует, она не может превышать 7% от силы гравитации – иначе она уже проявилась бы в нашем анализе».
Эти предварительные результаты представляют собой важный шаг в уточнении нашего понимания темной материи. Следующая ключевая цель – определить, действительно ли какая-либо едва уловимая пятая сила влияет на нее. «Предстоящие данные от новейших экспериментов, таких как LSST и DESI, будут чувствительны к силам, составляющим всего 2% от гравитации. Таким образом, они должны позволить нам узнать еще больше о поведении темной материи», – заключает Исаак Тутузаус, исследователь ICE-CSIC и IEEC и доцент IRAP, обсерватории Миди-Пиренеев, Университета Тулузы, соавтор исследования.
