Международная группа физиков-теоретиков изучила сценарий, при котором частицы темной материи взаимодействуют друг с другом через дополнительную силу дальнего действия.
Результаты, опубликованные в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, показывают: такая «темная сила» не помогает материи быстрее собираться в галактики и скопления, а, наоборот, подавляет рост крупномасштабной структуры Вселенной.
Работа опирается на данные наблюдений реликтового излучения и спектроскопического инструмента DESI.
Главные мысли за 1 минуту:
- Дополнительное притяжение между частицами темной материи (темная сила) не ускоряет, а замедляет формирование космических структур.
- Причина в том, что под действием этой силы частицы темной материи со временем становятся «легче», и эффект кластеризации оказывается слабее.
- Открытие помогает объяснить расхождения между предсказаниями стандартной космологической модели и данными наблюдений (реликтовое излучение, DESI).
- Исследование сужает круг возможных свойств темной материи — учёные теперь знают, какие взаимодействия маловероятны.
Что не так с темной материей?
Долгое время считалось, что темная материя подчиняется только гравитации. Однако точнейшие измерения последних лет — например, данные по космическому микроволновому фону — показывают, что материя на самых больших масштабах сгруппирована плотнее, чем предсказывают модели. Одновременно некоторые оценки скорости расширения Вселенной в прошлом дают значения ниже теоретических.
Эти нестыковки заставили физиков предполагать, что у темной материи могут быть скрытые взаимодействия, невидимые для обычного вещества. Закари Вайнер, исследователь из Института теоретической физики «Периметр» и соавтор работы, подчёркивает: «Всё, что мы знаем о темной материи, получено только через её гравитацию. Мы вправе допустить существование дополнительных сил».
Неожиданный механизм торможения
Команда построила теоретические модели, в которых частицы темной материи притягиваются друг к другу не только гравитацией, но и некой новой силой. На первый взгляд, это должно было бы ускорить образование плотных сгустков — галактик и их скоплений. Однако расчёты и сопоставление с наблюдениями дали обратный результат.
Выяснилось, что дополнительная сила меняет эволюцию самой темной материи: по мере расширения Вселенной частицы становятся эффективно легче. В итоге их способность концентрироваться в гравитационных ямах снижается, и рост крупномасштабной структуры замедляется.
«Интуиция подсказывала — дополнительное притяжение поможет. Но Вселенная оказалась тоньше, — комментирует Вайнер. — Включился конкурирующий механизм, который подавил кластеризацию».
Значение для будущих наблюдений
Полученные результаты напрямую касаются данных спектроскопического инструмента темной энергии (DESI), который недавно зафиксировал аномалии в расширении Вселенной. Некоторые объяснения этих аномалий как раз опираются на взаимодействия темной материи — те же самые, что рассматривались в работе.
Авторы уверены: описанный ими эффект справедлив и для более сложных сценариев. Это помогает отсеять неправдоподобные гипотезы и сосредоточиться на тех, что действительно могут объяснить наблюдения. В ближайшие годы новые обзоры неба и обсерватории дадут ещё более точные данные — тогда проверка таких моделей станет ключевой задачей космологии.
Исследование в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
