Mörk materia, universums favorit osynliga gåta, beskrivs vanligtvis som ett ämne som bara reagerar på gravitation. Men forskare, som aldrig nöjer sig med en enkel historia, utforskar nu en mer komplex möjlighet: partiklar av mörk materia kan också interagera genom en dold kraft av egen. En ny studie i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) undersökte vad som skulle hända om mörk materia upplevde en extra attraktiv kraft. Resultaten var förvånansvärt kontraintuitiva: även om kraften får mörk materia att samlas mer effektivt, påskyndar den vanligtvis inte tillväxten av kosmisk struktur. Istället tenderar den att bromsa den tillväxten.

Varför överväger forskare en 'mörk kraft'? Eftersom mycket precisa observationer av universum har gett resultat som inte alltid stämmer perfekt. Mätningar av kosmisk expansion och utvecklingen av galaxer och andra stora strukturer verkar ibland berätta något olika historier. Vissa observationer av det avlägsna universum antyder att expansionen kan ha fortskridit något långsammare tidigare än vad den standardkosmologiska modellen förutspår. Samtidigt har studier av den kosmiska bakgrundsstrålningen länge antytt att materia kan vara tätare klustrad på de största skalorna i universum än förväntat. Dessa skillnader är relativt små, men de har uppmuntrat forskare att fråga om standardmodellen för kosmologi kan sakna en viktig ingrediens.

En möjlighet är att partiklar av mörk materia känner en extra kraft som vanlig materia inte kan upptäcka. Eftersom interaktionen bara skulle verka inom den mörka materiens sektor, kallar forskare den för en 'mörk kraft'. En sådan interaktion skulle potentiellt kunna påverka både universums expansion och bildandet av galaxer och större kosmiska strukturer. 'Vad vi verkligen vet om mörk materia har hittills bara lärts genom dess gravitationella effekter', säger Zachary Weiner, forskare vid Perimeter Institute for Theoretical Physics och korresponderande författare för studien. 'Det lämnar möjligheten att mörk materia kan ha ytterligare interaktioner som är dolda för vanlig materia.'

Forskargruppen undersökte en grupp teoretiska modeller där partiklar av mörk materia interagerar genom en långväga kraft utöver gravitationen. Med hjälp av teoretiska beräkningar tillsammans med kosmologiska data studerade forskarna hur denna dolda interaktion skulle påverka historien om kosmisk expansion och tillväxten av storskalig struktur. Vid första anblicken verkar det förväntade resultatet enkelt: om partiklar av mörk materia attraherar varandra genom en annan kraft, borde de samlas i klumpar snabbare. Den starkare klustringen skulle också kunna förklara observationer som tyder på att universum innehåller tätare strukturer än förutspått. 'Det första du skulle förvänta dig är att ge mörk materia en extra attraktiv kraft borde få strukturer att växa snabbare', säger Weiner. 'Men en annan effekt spelar in samtidigt.'

I de modeller som forskarna undersökte gör den extra kraften att mörk materia klustrar mer effektivt. Men den ändrar också hur mörk materia beter sig när universum expanderar. Samma process gör att partiklar av mörk materia effektivt förlorar massa över tiden. Denna minskning försvagar deras gravitationella inflytande, vilket motverkar den starkare attraktionen som produceras av den dolda kraften. Som ett resultat skapar den förbättrade klustringen inte ett starkare gravitationellt avtryck på den kosmiska bakgrundsstrålningen. I de flesta fall undertrycker den kombinerade effekten faktiskt tillväxten av kosmisk struktur.

Resultaten kan vara betydelsefulla för teorier som sträcker sig bortom mörk materia ensam. Vissa förklaringar som föreslagits för nyligen gjorda mätningar från Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) involverar liknande interaktioner bland partiklar av mörk materia. Enligt forskarna är det troligt att den nyidentifierade mekanismen påverkar många av dessa mer komplicerade modeller.