Ciemna materia, ulubiona niewidzialna zagadka wszechświata, zwykle opisywana jest jako substancja, która reaguje tylko na grawitację. Ale naukowcy, nigdy niezadowoleni z prostej historii, obecnie badają bardziej złożoną możliwość: cząstki ciemnej materii mogą również oddziaływać poprzez ukrytą siłę własną. Nowe badanie opublikowane w Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) sprawdzało, co by się stało, gdyby ciemna materia doświadczała dodatkowej siły przyciągającej. Wyniki były zaskakująco sprzeczne z intuicją: chociaż siła ta powoduje, że ciemna materia gromadzi się wydajniej, zwykle nie przyspiesza wzrostu kosmicznych struktur. Zamiast tego, ma tendencję do spowalniania tego wzrostu.

Dlaczego naukowcy rozważają 'ciemną siłę'? Ponieważ bardzo precyzyjne obserwacje Wszechświata dały wyniki, które nie zawsze są ze sobą w pełni zgodne. Pomiary kosmicznej ekspansji i rozwoju galaktyk oraz innych dużych struktur czasami wydają się opowiadać nieco różne historie. Niektóre obserwacje odległego Wszechświata sugerują, że ekspansja mogła w przeszłości przebiegać nieco wolniej, niż przewiduje standardowy model kosmologiczny. Tymczasem badania kosmicznego mikrofalowego tła od dawna sugerują, że materia może być bardziej skupiona w największych skalach Wszechświata, niż oczekiwano. Różnice te są stosunkowo niewielkie, ale zachęciły naukowców do pytania, czy standardowy model kosmologii może pomijać ważny składnik.

Jedną z możliwości jest to, że cząstki ciemnej materii odczuwają dodatkową siłę, której zwykła materia nie może wykryć. Ponieważ oddziaływanie działałoby tylko w sektorze ciemnej materii, badacze nazywają je 'ciemną siłą'. Takie oddziaływanie mogłoby potencjalnie wpływać zarówno na ekspansję Wszechświata, jak i na formowanie się galaktyk oraz większych struktur kosmicznych. 'To, co naprawdę wiemy o ciemnej materii, do tej pory poznaliśmy tylko poprzez jej efekty grawitacyjne' – mówi Zachary Weiner, badacz z Perimeter Institute for Theoretical Physics i autor korespondencyjny badania. 'To pozostawia możliwość, że ciemna materia może mieć dodatkowe oddziaływania ukryte przed zwykłą materią.'

Zespół badawczy zbadał grupę modeli teoretycznych, w których cząstki ciemnej materii oddziałują poprzez siłę dalekiego zasięgu oprócz grawitacji. Używając obliczeń teoretycznych wraz z danymi kosmologicznymi, naukowcy zbadali, jak to ukryte oddziaływanie wpłynęłoby na historię ekspansji kosmicznej i wzrost wielkoskalowej struktury. Na początku oczekiwany wynik wydaje się prosty: jeśli cząstki ciemnej materii przyciągają się nawzajem poprzez inną siłę, powinny skupiać się w gromady szybciej. To silniejsze grupowanie mogłoby również wyjaśniać obserwacje sugerujące, że Wszechświat zawiera gęstsze struktury, niż przewidywano. 'Pierwszą rzeczą, jakiej byś się spodziewał, jest to, że nadanie ciemnej materii dodatkowej siły przyciągającej powinno przyspieszyć wzrost struktur' – mówi Weiner. 'Ale w tym samym czasie w grę wchodzi inny efekt.'

W modelach badanych przez naukowców dodatkowa siła rzeczywiście sprawia, że ciemna materia skupia się efektywniej. Jednak zmienia również sposób, w jaki ciemna materia zachowuje się w miarę rozszerzania się Wszechświata. Ten sam proces powoduje, że cząstki ciemnej materii z czasem efektywnie tracą masę. To zmniejszenie osłabia ich wpływ grawitacyjny, równoważąc silniejsze przyciąganie wywołane przez ukrytą siłę. W rezultacie wzmocnione grupowanie nie tworzy silniejszego grawitacyjnego śladu w kosmicznym mikrofalowym tle. W większości przypadków połączony efekt faktycznie tłumi wzrost kosmicznej struktury.

Odkrycia mogą mieć znaczenie dla teorii wykraczających poza samą ciemną materię. Niektóre wyjaśnienia zaproponowane dla ostatnich pomiarów z Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) obejmują podobne oddziaływania między cząstkami ciemnej materii. Według badaczy, nowo zidentyfikowany mechanizm prawdopodobnie wpłynie na wiele z tych bardziej skomplikowanych modeli.