Donkere materie, het favoriete onzichtbare raadsel van het universum, wordt meestal beschreven als een substantie die alleen reageert op zwaartekracht. Maar wetenschappers, nooit tevreden met een simpel verhaal, onderzoeken nu een complexere mogelijkheid: donkere materiedeeltjes zouden ook kunnen interageren via een verborgen kracht van zichzelf. Een nieuwe studie in het Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) onderzocht wat er zou gebeuren als donkere materie een extra aantrekkende kracht zou ervaren. De resultaten waren verrassend contra-intuïtief: hoewel de kracht ervoor zorgt dat donkere materie efficiënter samenklontert, versnelt het meestal niet de groei van kosmische structuren. Integendeel, het heeft de neiging om die groei te vertragen.

Waarom overwegen wetenschappers een 'donkere kracht'? Omdat zeer nauwkeurige waarnemingen van het universum resultaten hebben opgeleverd die niet altijd perfect overeenkomen. Metingen van kosmische expansie en de ontwikkeling van sterrenstelsels en andere grote structuren lijken soms iets andere verhalen te vertellen. Sommige waarnemingen van het verre universum suggereren dat de expansie in het verleden iets langzamer is verlopen dan het standaard kosmologische model voorspelt. Ondertussen suggereren studies van de kosmische microgolfachtergrond al lang dat materie op de grootste schalen van het universum dichter geclusterd zou kunnen zijn dan verwacht. Deze verschillen zijn relatief klein, maar ze hebben wetenschappers aangemoedigd om zich af te vragen of het standaardmodel van de kosmologie een belangrijke ingrediënt mist.

Een mogelijkheid is dat donkere materiedeeltjes een extra kracht voelen die gewone materie niet kan detecteren. Omdat de interactie alleen binnen de donkere materiesector zou werken, verwijzen onderzoekers ernaar als een 'donkere kracht'. Zo'n interactie zou mogelijk zowel de expansie van het universum als de vorming van sterrenstelsels en grotere kosmische structuren kunnen beïnvloeden. 'Wat we echt weten over donkere materie is tot nu toe alleen geleerd via de zwaartekrachtseffecten', zegt Zachary Weiner, onderzoeker aan het Perimeter Institute for Theoretical Physics en corresponderende auteur van de studie. 'Dat laat de mogelijkheid open dat donkere materie extra interacties zou kunnen hebben die verborgen zijn voor gewone materie.'

Het onderzoeksteam onderzocht een groep theoretische modellen waarin donkere materiedeeltjes interageren via een langeafstandskracht naast zwaartekracht. Met behulp van theoretische berekeningen samen met kosmologische gegevens bestudeerden de wetenschappers hoe deze verborgen interactie de geschiedenis van kosmische expansie en de groei van grootschalige structuur zou beïnvloeden. Op het eerste gezicht lijkt het verwachte resultaat eenvoudig: als donkere materiedeeltjes elkaar aantrekken via een andere kracht, zouden ze sneller in klonten moeten samenkomen. Die sterkere clustering zou ook waarnemingen kunnen verklaren die suggereren dat het universum dichtere structuren bevat dan voorspeld. 'Het eerste wat je zou verwachten is dat het geven van een extra aantrekkende kracht aan donkere materie structuren sneller zou laten groeien', zegt Weiner. 'Maar er speelt tegelijkertijd een ander effect.'

In de modellen die de onderzoekers onderzochten, zorgt de extra kracht ervoor dat donkere materie effectiever clustert. Het verandert echter ook hoe donkere materie zich gedraagt terwijl het universum uitdijt. Hetzelfde proces zorgt ervoor dat donkere materiedeeltjes in de loop van de tijd effectief massa verliezen. Deze vermindering verzwakt hun zwaartekrachtseffect, waardoor de sterkere aantrekkingskracht van de verborgen kracht wordt gecompenseerd. Als gevolg hiervan creëert de versterkte clustering geen sterkere zwaartekrachtsafdruk op de kosmische microgolfachtergrond. In de meeste gevallen onderdrukt het gecombineerde effect de groei van kosmische structuur.

De bevindingen zouden van belang kunnen zijn voor theorieën die verder gaan dan alleen donkere materie. Sommige verklaringen die zijn voorgesteld voor recente metingen van de Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) omvatten vergelijkbare interacties tussen donkere materiedeeltjes. Volgens de onderzoekers zal het nieuw geïdentificeerde mechanisme waarschijnlijk invloed hebben op veel van die meer gecompliceerde modellen.