В своем новом исследовании специалисты Института теоретической физики Периметр изучили сценарий, в котором между частицами темной материи действует дополнительное притяжение. Интуитивно кажется, что это должно ускорить рост структур во Вселенной — галактик, скоплений, «космической паутины». Но расчеты показали противоположное: хотя темная материя и собирается более эффективно, рост крупномасштабных структур в целом замедляется.
Интерес к возможной «темной силе», через которую взаимодействуют частицы темной материи, связан с тем, что сверхточные наблюдения Вселенной дают несколько несовпадающие картины. По одним данным, в далеком прошлом расширение Вселенной могло идти чуть медленнее, чем предсказывает стандартная космологическая модель. По другим, распределение материи выглядит более неравномерным, «комковатым», чем ожидалось. Расхождения невелики, но они явно указывают на то, что в стандартной схеме, возможно, чего‑то не хватает.
Одним из подходов к решению этой проблемы стало предположение, что темная материя, помимо гравитации, испытывает еще одно дальнодействующее притяжение, которое никак не чувствуют атомы и фотоны. Поскольку взаимодействие касается только темной материи, ученые закономерно назвали его «темной силой». «Практически все, что мы знаем о темной материи, основано на ее гравитационном эффекте, — отмечает автор работы Закари Вайнер. — Но у нее, вероятно, есть и другие, скрытые взаимодействия».
Авторы работы изучили теоретические модели, в которых частицы темной материи взаимодействуют через дальнодействующую силу помимо гравитации. Первое ожидание кажется очевидным: если частицы притягивают друг друга дополнительной силой, они должны быстрее собираться в сгустки, что могло бы объяснить наблюдения более плотных структур.
«Казалось бы, в первую очередь стоит ожидать, что дополнительная притягивающая сила заставит структуры расти быстрее, — говорит Вайнер. — Но одновременно в игру вступает другой эффект».
Дополнительная сила действительно улучшает кластеризацию темной материи, но при этом меняет ее поведение по мере расширения Вселенной. Тот же процесс заставляет частицы фактически терять массу со временем. Это снижение ослабляет их гравитационное влияние, компенсируя более сильное притяжение от скрытой силы. В результате усиленная кластеризация не создает более сильного гравитационного отпечатка на реликтовом излучении — в большинстве случаев комбинированный эффект наоборот, подавляет рост космических структур.
Понимание этого механизма важно не только для изучения самой темной материи. Некоторые объяснения свежих результатов проекта DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), связанного с измерением расширения Вселенной и свойств темной энергии, тоже опираются на взаимное притяжение частиц темной материи. Авторы новой работы предупреждают: любые теории должны учитывать эффект «облегчения» темной материи по мере эволюции Вселенной.
Будущие обзоры неба и новые телескопы дадут более точные данные о том, как распределена материя в разные эпохи. Это поможет проверить, существуют ли у темной материи такие скрытые взаимодействия, и, если да, насколько они сильны. Как подчеркивает Вайнер, Вселенная часто оказывается тоньше и хитрее наших первых интуитивных ожиданий — и именно поэтому каждую красивую идею приходится проверять многочисленными расчетами и наблюдениями.
Ранее гамма-лучи рассказали, как звезды образуют тяжелые элементы.