암흑물질, 우주가 가장 좋아하는 보이지 않는 수수께끼는 보통 중력에만 반응하는 물질로 묘사된다. 그러나 과학자들은 단순한 이야기에 만족하지 않고, 더 복잡한 가능성을 탐구하고 있다: 암흑물질 입자들이 그들만의 숨겨진 힘을 통해 상호작용할 수도 있다는 것이다. 우주론 및 입자 천체물리학 저널(JCAP)에 게재된 새로운 연구는 암흑물질이 추가적인 인력(引力)을 경험한다면 어떤 일이 일어날지 조사했다. 그 결과는 놀라울 정도로 반직관적이었다: 그 힘은 암흑물질이 더 효율적으로 모이게 하지만, 일반적으로 우주 구조의 성장을 가속화하지 않는다. 대신, 그것은 그 성장을 늦추는 경향이 있다.

과학자들은 왜 '암흑의 힘'을 고려하는가? 우주에 대한 매우 정밀한 관측이 항상 완벽하게 일치하지 않는 결과를 낳았기 때문이다. 우주 팽창과 은하 및 다른 대규모 구조의 발달에 대한 측정은 때때로 약간 다른 이야기를 하는 것처럼 보인다. 먼 우주에 대한 일부 관측은 팽창이 표준 우주론 모델이 예측하는 것보다 과거에 다소 느리게 진행되었을 수 있음을 시사한다. 한편, 우주 마이크로파 배경에 대한 연구는 오랫동안 물질이 우주의 가장 큰 규모에서 예상보다 더 밀집되어 있을 수 있음을 시사해 왔다. 이러한 차이는 상대적으로 작지만, 과학자들이 표준 우주론 모델이 중요한 성분을 빠뜨리고 있는지 의문을 제기하도록 장려했다.

한 가지 가능성은 암흑물질 입자가 일반 물질이 감지할 수 없는 추가적인 힘을 느낀다는 것이다. 상호작용이 암흑물질 영역 내에서만 작동하기 때문에 연구자들은 이를 '암흑의 힘'이라고 부른다. 그러한 상호작용은 우주의 팽창과 은하 및 더 큰 우주 구조의 형성 모두에 영향을 미칠 수 있다. '우리가 암흑물질에 대해 실제로 알고 있는 것은 지금까지 중력 효과를 통해서만 배웠습니다.'라고 이 연구의 교신 저자이자 페리미터 이론 물리 연구소의 연구원인 재커리 와이너는 말한다. '그것은 암흑물질이 일반 물질에 숨겨진 추가적인 상호작용을 가질 가능성을 남겨 둡니다.'

연구팀은 암흑물질 입자가 중력 외에 장거리 힘을 통해 상호작용하는 일련의 이론적 모델을 조사했다. 이론적 계산과 우주론적 데이터를 사용하여 과학자들은 이 숨겨진 상호작용이 우주 팽창의 역사와 대규모 구조의 성장에 어떻게 영향을 미칠지 연구했다. 처음에는 예상된 결과가 간단해 보인다: 암흑물질 입자가 다른 힘을 통해 서로 끌어당기면 더 빨리 덩어리로 모여야 한다. 그 더 강한 클러스터링은 우주가 예측보다 더 조밀한 구조를 포함하고 있다는 관측을 설명하는 것처럼 보일 수도 있다. '가장 먼저 기대하는 것은 암흑물질에 추가적인 인력을 주면 구조가 더 빨리 성장해야 한다는 것입니다.'라고 와이너는 말한다. '그러나 동시에 또 다른 효과가 작용합니다.'

연구자들이 조사한 모델에서 추가 힘은 실제로 암흑물질을 더 효과적으로 클러스터링하게 만든다. 그러나 그것은 또한 우주가 팽창함에 따라 암흑물질이 어떻게 행동하는지 변화시킨다. 같은 과정은 암흑물질 입자가 시간이 지남에 따라 효과적으로 질량을 잃게 만든다. 이 감소는 그들의 중력 영향을 약화시켜 숨겨진 힘에 의해 생성된 더 강한 인력을 상쇄한다. 결과적으로, 강화된 클러스터링은 우주 마이크로파 배경에 더 강한 중력 각인을 만들지 않는다. 대부분의 경우, 결합된 효과는 실제로 우주 구조의 성장을 억제한다.

이 발견은 암흑물질만을 넘어서는 이론에 중요할 수 있다. 암흑 에너지 분광 기구(DESI)의 최근 측정에 대해 제안된 일부 설명은 암흑물질 입자들 사이의 유사한 상호작용을 포함한다. 연구자들에 따르면, 새로 확인된 메커니즘은 그 더 복잡한 모델들 중 많은 것에 영향을 미칠 가능성이 높다.