Современная космологическая модель довольно хорошо описывает Вселенную, но некоторые наблюдения всё ещё не совсем укладываются в её предсказания. Одно из таких расхождений связано с тем, как тёмная материя собирается в крупные структуры.
Мы до сих пор не знаем, из чего состоит тёмная материя. Но именно её гравитацию считают своего рода каркасом, на котором формируются галактики и огромная космическая сеть.
Проблема в том, что некоторые наблюдения указывают: на поздних этапах развития Вселенной вещество может собираться в сгустки несколько сильнее, чем предсказывает стандартная модель.
Отсюда возникла интригующая идея. Возможно, частицы тёмной материи взаимодействуют друг с другом не только посредством гравитации. Между ними может действовать ещё одна скрытая сила, не влияющая на обычное вещество.
На первый взгляд последствия очевидны. Если добавить тёмной материи ещё одно взаимное притяжение, она должна быстрее собираться в плотные структуры.
Но группа физиков из Канады и США решила подробно проверить один из наиболее простых вариантов такой модели — и обнаружила, что всё работает гораздо менее очевидно.
Дополнительная сила действительно усиливала притяжение между частицами тёмной материи. Казалось бы, это должно ускорить образование космических структур.
Однако одновременно происходило другое.
Согласно расчётам, по мере развития Вселенной эффективная масса частиц тёмной материи при таком взаимодействии уменьшалась. Из-за этого средняя плотность тёмной материи падала быстрее.
Получалось два противоположных эффекта. Дополнительное притяжение пыталось сильнее собрать тёмную материю в сгустки, а уменьшение массы частиц, напротив, подавляло рост структур.
В результате ожидаемое усиление «скученности» Вселенной в значительной степени исчезало.
Как отмечает физик-теоретик Закари Вайнер из Института теоретической физики «Периметр», интуитивно кажется, что дополнительная сила притяжения обязательно должна ускорять рост структур. Но Вселенная оказывается сложнее такого простого предположения.
Исследователи сравнивали модель с данными о реликтовом излучении — древнейшем свете, который мы способны наблюдать, — и с распределением крупномасштабных структур Вселенной.
Выяснилась ещё одна сложность. Чтобы модель с новой силой согласовывалась с уже имеющимися наблюдениями реликтового излучения и скоростью расширения Вселенной, в ней потребовалось бы больше тёмной энергии.
Тёмной энергией называют неизвестную составляющую, связанную с ускоряющимся расширением Вселенной. Тёмная материя, напротив, помогает формировать галактики и крупные структуры. То, как эти две загадочные составляющие соотносятся между собой, остаётся одной из фундаментальных проблем современной космологии.
При этом исследование вовсе не исключает существование дополнительной силы в тёмном секторе. Более того, полученные данные допускают возможность очень слабого взаимодействия такого рода.
Но простая версия идеи уже сталкивается с серьёзными ограничениями.
Почти всё, что сегодня известно о тёмной материи, было обнаружено благодаря её гравитационному воздействию. Поэтому возможность существования у неё других взаимодействий, совершенно незаметных для обычного вещества, по-прежнему остаётся открытой.
У нынешней работы есть и важное ограничение. Учёные рассматривали относительно простые линейные масштабы, тогда как реальная Вселенная содержит гораздо более сложные взаимодействия и структуры. Более подробное моделирование может изменить картину.
Это особенно важно потому, что тёмная материя и тёмная энергия вместе, согласно современным представлениям, составляют до 95 процентов всей массы и энергии Вселенной. Поэтому даже небольшое изменение нашего понимания этих компонентов может иметь далеко идущие последствия.
Новые телескопы и всё более точные методы обработки данных постепенно дают космологам возможность проверять подобные гипотезы гораздо строже.
Исследователи намерены продолжить изучение скрытых взаимодействий тёмной материи и выяснить, какие ещё наблюдаемые следы такая сила могла бы оставить во Вселенной.
Работа опубликована в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
