Темная материя, любимая невидимая загадка Вселенной, обычно описывается как вещество, которое реагирует только на гравитацию. Но ученые, никогда не довольствуясь простыми историями, сейчас исследуют более сложную возможность: частицы темной материи могут также взаимодействовать через собственную скрытую силу. Новое исследование, опубликованное в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), изучило, что произошло бы, если бы темная материя испытывала дополнительную силу притяжения. Результаты оказались на удивление противоречивыми: хотя сила заставляет темную материю собираться более эффективно, обычно она не ускоряет рост космических структур. Вместо этого она имеет тенденцию замедлять этот рост.

Почему ученые рассматривают «темную силу»? Потому что высокоточные наблюдения Вселенной дали результаты, которые не всегда идеально согласуются. Измерения космического расширения и развития галактик и других крупных структур иногда, кажется, рассказывают немного разные истории. Некоторые наблюдения далекой Вселенной предполагают, что расширение в прошлом могло происходить несколько медленнее, чем предсказывает стандартная космологическая модель. Тем временем исследования космического микроволнового фона давно предполагают, что материя может быть более плотно сгруппирована в самых больших масштабах Вселенной, чем ожидалось. Эти различия относительно невелики, но они побудили ученых задаться вопросом, не упускает ли стандартная модель космологии какой-то важный ингредиент.

Одна из возможностей состоит в том, что частицы темной материи ощущают дополнительную силу, которую обычная материя не может обнаружить. Поскольку взаимодействие действовало бы только в секторе темной материи, исследователи называют его «темной силой». Такое взаимодействие потенциально могло бы влиять как на расширение Вселенной, так и на формирование галактик и более крупных космических структур. «Все, что мы действительно знаем о темной материи, до сих пор было получено только через ее гравитационные эффекты», — говорит Захари Вайнер, исследователь из Института теоретической физики «Периметр» и автор-корреспондент исследования. «Это оставляет возможность того, что темная материя может иметь дополнительные взаимодействия, скрытые от обычной материи».

Исследовательская группа изучила группу теоретических моделей, в которых частицы темной материи взаимодействуют через дальнодействующую силу в дополнение к гравитации. Используя теоретические расчеты вместе с космологическими данными, ученые изучили, как это скрытое взаимодействие повлияло бы на историю космического расширения и рост крупномасштабной структуры. Сначала ожидаемый результат кажется простым: если частицы темной материи притягиваются друг к другу через другую силу, они должны собираться в сгустки быстрее. Такая более сильная кластеризация могла бы также, по-видимому, объяснить наблюдения, предполагающие, что Вселенная содержит более плотные структуры, чем предсказывалось. «Первое, что можно ожидать, — это то, что дополнительная сила притяжения для темной материи должна заставить структуры расти быстрее», — говорит Вайнер. «Но в то же время в игру вступает другой эффект».

В моделях, рассмотренных исследователями, дополнительная сила действительно заставляет темную материю группироваться более эффективно. Однако она также меняет поведение темной материи по мере расширения Вселенной. Тот же процесс заставляет частицы темной материи со временем эффективно терять массу. Это уменьшение ослабляет их гравитационное влияние, компенсируя более сильное притяжение, создаваемое скрытой силой. В результате усиленная кластеризация не создает более сильного гравитационного отпечатка на космическом микроволновом фоне. В большинстве случаев совокупный эффект фактически подавляет рост космической структуры.

Эти выводы могут иметь значение для теорий, выходящих за рамки только темной материи. Некоторые объяснения, предложенные для недавних измерений с помощью Спектроскопического инструмента темной энергии (DESI), включают аналогичные взаимодействия между частицами темной материи. По словам исследователей, недавно выявленный механизм, вероятно, повлияет на многие из этих более сложных моделей.