Темная материя подчиняется гравитации, как и обычная материя

Карта распределения галактик, наблюдаемая коллаборацией DESI, по которой можно точно измерить скорости галактик. Автор: Claire Lamman/DESI collaboration; custom colormap package by cmastro.

Подчиняется ли темная материя тем же законам, что и обычная материя? Загадка этой невидимой и гипотетической составляющей нашей Вселенной, которая не излучает и не отражает свет, остается неразгаданной. Команда с участием исследователей из Женевского университета (UNIGE) задалась целью выяснить, ведет ли себя эта материя на космологических масштабах как обычная материя или же вступают в игру другие силы.

Их выводы, опубликованные в журнале Nature Communications, предполагают схожее поведение, оставляя при этом возможность существования еще неизвестного взаимодействия. Этот прорыв проливает немного больше света на свойства этой неуловимой материи, которой во Вселенной в пять раз больше, чем обычной материи.

Обычная материя подчиняется четырем хорошо идентифицированным силам: гравитации, электромагнетизму, а также сильному и слабому взаимодействию на атомном уровне. Но как насчет темной материи? Невидимая и неуловимая, она может быть подвержена тем же законам или управляться пятой, пока неизвестной силой.

Чтобы разгадать эту загадку, команда под руководством UNIGE решила определить, падает ли темная материя в гравитационные колодцы на космических масштабах так же, как и обычная материя. Под влиянием массивных небесных тел пространство, занимаемое нашей Вселенной, искажается, создавая колодцы. Обычная материя — планеты, звезды и галактики — падает в эти колодцы согласно хорошо установленным физическим законам, включая теорию общей теории относительности Эйнштейна и уравнения Эйлера. Но что насчет темной материи?

«Чтобы ответить на этот вопрос, мы сравнили скорости галактик во Вселенной с глубиной гравитационных колодцев», — объясняет Камиль Бонвин, доцент кафедры теоретической физики факультета наук UNIGE и соавтор исследования.

«Если темная материя не подвержена пятой силе, то галактики, которые в основном состоят из темной материи, будут падать в эти колодцы, как обычная материя, управляемая исключительно гравитацией. С другой стороны, если на темную материю действует пятая сила, 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».

Уравнения Эйлера все еще действительны

Применив этот подход к текущим космологическим данным, исследовательская группа пришла к выводу, что темная материя падает в гравитационные колодцы так же, как и обычная материя, таким образом подчиняясь уравнениям Эйлера.

«На данном этапе, однако, эти выводы еще не исключают наличие неизвестной силы. Но если такая пятая сила существует, она не может превышать 7% силы гравитации — иначе она уже проявилась бы в наших анализах», — говорит Настасья Гримм, первый автор исследования и бывший постдокторант кафедры теоретической физики факультета наук UNIGE, недавно перешедшая в Институт космологии и гравитации Портсмутского университета.

Эти первоначальные результаты знаменуют собой важный шаг вперед в характеристике темной материи. Следующая задача — определить, управляет ли ею пятая сила.

«Предстоящие данные новейших экспериментов, таких как LSST и DESI, будут чувствительны к силам, столь же слабым, как 2% от гравитации. Поэтому они должны позволить нам узнать еще больше о поведении темной материи», — заключает Исаак Тутусаус, исследователь из ICE-CSIC и IEEC и доцент IRAP, обсерватории Миди-Пиренеи Тулузского университета, соавтор исследования.

Больше информации: Nastassia Grimm et al, Comparing the motion of dark matter and standard model particles on cosmological scales, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65100-8

Источник: University of Geneva

Темная материя составляет около 27% всей массы-энергии Вселенной, в то время как привычная нам барионная материя — лишь около 5%. Несмотря на то, что темную материю нельзя увидеть напрямую, ее существование подтверждается гравитационными эффектами, которые она оказывает на видимые объекты, такие как галактики и скопления галактик.