Новое исследование, проведенное учеными из Женевского университета (UNIGE), проливает свежий свет на одну из самых загадочных тайн космологии — вопрос о том, подчиняется ли темная материя тем же законам, что и обычная материя.
Результаты работы, опубликованные в научном журнале Nature Communications, указывают на то, что гипотетическая темная материя, согласно текущим наблюдениям, падает в гравитационные колодцы точно так же, как и обычное вещество. Тем не менее, авторы исследования предупреждают, что неожиданное взаимодействие или ранее неизвестная сила могут быть обнаружены в будущем с помощью более точных данных.
По своей сути, исследование предполагает, что в самых больших масштабах, доступных для наблюдения сегодня, темная материя, по-видимому, подчиняется тем же физическим законам, что и обычная материя, оставляя при этом возможность существования тонких, еще не открытых сил. Поскольку темная материя не излучает и не отражает свет, она остается невидимой и никогда не была обнаружена напрямую. Ее существование ученые выводят из эффектов гравитации, которые нельзя объяснить наличием только видимой материи. Однако главным вопросом остается то, взаимодействует ли темная материя с четырьмя известными фундаментальными силами — гравитацией, электромагнетизмом, сильным и слабым ядерным взаимодействием — так же, как обычная материя, или же на нее воздействует пятая, неизвестная сила, применимая только к темной материи.
В центре исследования команды находилось явление, известное как гравитационные колодцы — искривления пространства-времени, создаваемые очень массивными объектами. Современная физика точно предсказывает, как видимая материя ведет себя в этих колодцах. Чтобы проверить, применимы ли те же правила к темной материи, ученые сравнили скорости галактик во Вселенной с глубиной этих гравитационных колодцев. Как пояснила соавтор работы Камиль Бонвин, доцент кафедры теоретической физики UNIGE, если на темную материю не действует пятая сила, то галактики, состоящие в основном из темной материи, будут падать в эти колодцы так же, как и обычная материя, подчиняясь исключительно гравитации. Если же пятая сила существует, она повлияет на движение галактик.
Анализ реальных космологических данных показал, что темная материя действительно падает в гравитационные колодцы в соответствии с уравнениями Эйлера, ведя себя так же, как и обычная материя. Однако, как отметила ведущий автор исследования Настассия Гримм, на данном этапе эти выводы еще не исключают полностью наличие неизвестной силы. Если такая пятая сила и существует, то ее воздействие не может превышать семь процентов от силы гравитации, иначе оно уже было бы обнаружено в ходе проведенного анализа. Будущие измерения, включая данные с обсерватории Веры Рубин (LSST) и прибора Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), позволят ученым обнаружить силы, составляющие всего два процента от силы гравитации. Эти высокоточные наблюдения могут окончательно подтвердить, подчиняется ли темная материя тем же законам, что и нормальная материя, или же во Вселенной действует слабая, но фундаментально новая сила.