Темную материю обычно описывают как невидимую субстанцию, реагирующую только на гравитацию. Однако ученые изучают более сложную возможность: частицы темной материи могут взаимодействовать и через собственную скрытую силу.

Новое исследование, опубликованное в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), рассматривало, что произойдет, если темная материя будет испытывать дополнительную силу притяжения. Результаты оказались неожиданными и противоречащими интуиции. Хотя эта сила заставляет темную материю собираться более эффективно, она обычно не ускоряет рост космических структур, а наоборот, замедляет его.

Почему ученые рассматривают «темную силу»

Интерес к возможной «темной силе» возрос, поскольку высокоточные наблюдения Вселенной дают результаты, которые не всегда идеально согласуются. Измерения космического расширения и развития галактик иногда рассказывают немного разные истории. Некоторые наблюдения далекой Вселенной позволяют предположить, что в прошлом расширение могло происходить несколько медленнее, чем предсказывает стандартная космологическая модель. В то же время исследования реликтового излучения давно указывают на то, что материя может быть более плотно сгруппирована в самых больших масштабах Вселенной, чем ожидалось.

Эти различия относительно невелики, но они побуждают ученых задаться вопросом, не упускает ли стандартная космологическая модель важный компонент. Одна из возможностей заключается в том, что частицы темной материи ощущают дополнительную силу, которую обычная материя не может обнаружить. Поскольку взаимодействие происходит только в секторе темной материи, исследователи называют его «темной силой».

«Все, что мы действительно знаем о темной материи, до сих пор было получено только через ее гравитационные эффекты, — говорит Закари Вайнер, исследователь Института теоретической физики «Периметр», соавтор исследования. — Это оставляет возможность того, что темная материя может иметь дополнительные взаимодействия, скрытые от обычной материи».

Тестирование силы за пределами гравитации

Исследовательская группа изучила группу теоретических моделей, в которых частицы темной материи взаимодействуют через дальнодействующую силу в дополнение к гравитации. Используя теоретические расчеты и космологические данные, ученые изучили, как это скрытое взаимодействие повлияло бы на историю космического расширения и рост крупномасштабной структуры.

На первый взгляд ожидаемый результат кажется очевидным: если частицы темной материи притягиваются друг к другу через дополнительную силу, они должны собираться в сгустки быстрее. Однако все оказалось сложнее.

«Первое, чего можно ожидать, — это то, что дополнительная сила притяжения заставит структуры расти быстрее, — говорит Вайнер. — Но в то же время в игру вступает другой эффект».

Неожиданный эффект на космический рост

В рассмотренных моделях дополнительная сила действительно заставляет темную материю группироваться более эффективно. Однако она также меняет поведение темной материи по мере расширения Вселенной. Тот же процесс приводит к тому, что частицы темной материи со временем теряют массу. Это ослабление уменьшает их гравитационное влияние, компенсируя более сильное притяжение, создаваемое скрытой силой. В результате усиленная кластеризация не создает более сильного гравитационного отпечатка на реликтовом излучении. В большинстве случаев совокупный эффект фактически подавляет рост космических структур.

Последствия для DESI и моделей темной энергии

Эти выводы могут иметь значение для теорий, выходящих за рамки только темной материи. Некоторые объяснения недавних измерений, полученных с помощью спектроскопического инструмента DESI, включают аналогичные взаимодействия между частицами темной материи. По словам исследователей, вновь выявленный механизм, вероятно, повлияет и на многие из этих более сложных моделей. Любая теория, включающая скрытую силу притяжения, должна учитывать возможность того, что темная материя становится эффективно легче по мере эволюции Вселенной.

Более точные измерения с помощью будущих обсерваторий и космических обзоров могут помочь ученым определить, какими скрытыми взаимодействиями может обладать темная материя и какие возможности наблюдения могут исключить.

«Вселенная часто тоньше, чем наша интуиция, — говорит Вайнер. — Именно поэтому мы должны продолжать проверять эти идеи».

Источники:

sciencedaily.com

Материалы предоставлены Sissa Medialab.

Marco Costa, Cyril Creque-Sarbinowski, Olivier Simon, Zachary J. Weiner. Dark forces suppress structure growth. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2026; 2026 (06): 055 DOI: 10.1088/1475-7516/2026/06/055