Учёные доказали, что тёмная материя — одно из самых загадочных веществ во Вселенной — действительно подчиняется гравитации на масштабах, охватывающих всю космическую структуру. Это открытие помогает отвергнуть гипотезу о существовании пятой фундаментальной силы природы — или, по крайней мере, серьёзно ограничивает её возможное влияние.
Обычное вещество состоит из атомов, а те, в свою очередь, — из протонов, нейтронов и электронов. Все эти частицы взаимодействуют через четыре известные фундаментальные силы: электромагнетизм, гравитацию, сильное и слабое ядерное взаимодействие. Тёмная материя же остаётся неуловимой — она почти не взаимодействует со светом, и потому не поддаётся прямому наблюдению. Учёные узнают о её существовании только по гравитационному влиянию на свет и на обычное вещество.
До сих пор считалось, что тёмная материя проявляет гравитационные свойства внутри галактик. Но это не означало автоматически, что она подчиняется тем же законам гравитации, что и обычное вещество, — в частности, Общей теории относительности Эйнштейна. А ведь тёмной материи во Вселенной в пять раз больше, чем видимого вещества, и её поведение критически важно для понимания формирования и эволюции космоса.
Чтобы проверить, действует ли на тёмную материю та же гравитация, что и на обычную материю, команда исследователей из Женевского университета (UNIGE) решила выяснить, падает ли тёмная материя в так называемые гравитационные ямы — искривления пространства-времени, создаваемые массивными объектами. Чем больше масса, тем глубже искривление и тем сильнее гравитационное притяжение.
«Мы сравнили скорости движения галактик с глубиной гравитационных ям во Вселенной, — объясняет исследовательница Ками Бонвен из UNIGE. — Если на тёмную материю действует только гравитация, как и на обычную материю, то галактики, в которых она доминирует, должны падать в эти ямы одинаково. Если же существует дополнительная, пятая сила, она изменила бы траектории этих галактик».
Проанализировав самые свежие космологические данные, учёные показали, что галактики действительно движутся так, как если бы на них действовала только гравитация, — а значит, тёмная материя, по всей видимости, тоже следует законам гравитации Эйнштейна. Признаков пятой силы обнаружено не было. Но это ещё не означает, что она исключена полностью.
Настассия Гримм, руководительница исследования из Института космологии и гравитации, говорит:
«На этом этапе мы не можем окончательно исключить существование неизвестной силы. Однако если такая сила и существует, её воздействие не превышает 7% силы гравитации — иначе мы бы уже заметили её в наших измерениях».
Новые результаты не ставят окончательную точку в этом вопросе, но они значительно сужают допустимый диапазон свойств тёмной материи. И если в природе действительно есть ещё один фундаментальный механизм, скрываться ему осталось недолго.
«Скоро поступят данные с новых экспериментов, — говорит Айзек Тутюсо, соавтор исследования из Тулузского университета. — Обзоры LSST и DESI будут чувствительны даже к эффектам, которые составляют всего 2% от силы гравитации. Это даст нам возможность узнать ещё больше о поведении тёмной материи».