Невидимая материя подчиняется знакомым законам? Новые ключи к разгадке тайны темной материи

Карта распределения галактик, составленная по данным коллаборации DESI, позволила с высокой точностью измерить скорости движения галактик. Фото: Claire Lamman/DESI collaboration; custom colormap package by cmastro.

Подчиняется ли таинственная темная материя тем же законам, что и обычное вещество? Загадка этой невидимой и гипотетической составляющей нашей Вселенной, которая не испускает и не отражает свет, до сих пор не разгадана. Чтобы найти ответ, международная группа ученых при участии Женевского университета (UNIGE) исследовала, ведет ли себя темная материя на космологических масштабах так же, как и обычная, или же на нее влияют неизвестные силы.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, указывают на схожее поведение, но при этом не исключают возможность существования неизвестного науке взаимодействия. Это открытие проливает новый свет на свойства неуловимой темной материи, чья масса в пять раз превышает массу всего обычного вещества.

Известно, что обычная материя подчиняется четырем фундаментальным силам: гравитации, электромагнетизму, а также сильному и слабому ядерному взаимодействию. А что управляет темной материей? Будучи невидимой и неосязаемой, она может как подчиняться тем же законам, так и находиться под влиянием пятой, пока неизвестной силы.

Чтобы разгадать эту загадку, команда под руководством ученых из UNIGE решила проверить, «падает» ли темная материя в гравитационные «ямы» так же, как и обычная материя. Под влиянием массивных небесных тел ткань пространства-времени искривляется, создавая подобные углубления. Обычное вещество — планеты, звезды и галактики — «падает» в эти ямы в строгом соответствии с известными физическими законами, такими как общая теория относительности Эйнштейна и уравнения Эйлера. Но как ведет себя в этой ситуации темная материя?

«Чтобы ответить на этот вопрос, мы сравнили скорости галактик по всей Вселенной с глубиной гравитационных потенциальных ям, — поясняет Камиль Бонвин, доцент кафедры теоретической физики факультета наук UNIGE и соавтор исследования. — Если темная материя не подвержена действию пятой силы, то галактики, которые в основном состоят из нее, будут падать в эти ямы так же, как и обычная материя, подчиняясь лишь гравитации. Если же пятая сила существует, она повлияет на движение галактик, и их \"падение\" будет иным. Сравнивая глубину ям со скоростями галактик, мы можем проверить наличие такой силы».

Уравнения Эйлера подтверждаются

Применив этот метод к современным космологическим данным, исследовательская группа пришла к выводу, что темная материя действительно «падает» в гравитационные ямы так же, как и обычная материя, то есть подчиняется уравнениям Эйлера.

«Однако на данном этапе наши выводы еще не исключают полностью наличие неизвестной силы, — отмечает Настасия Гримм, первый автор исследования, бывший постдок кафедры теоретической физики UNIGE, а ныне сотрудник Института космологии и гравитации Портсмутского университета. — Но если эта пятая сила и существует, то она не может превышать 7% от силы гравитации — в противном случае мы бы уже обнаружили ее следы в наших анализах».

Эти первые результаты стали важным шагом в характеристике свойств темной материи. Следующая задача — окончательно выяснить, управляет ли ею пятая сила.

«Данные новых экспериментов, таких как LSST (Legacy Survey of Space and Time) и DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), будут чувствительны к силам, составляющим всего 2% от силы гравитации, — заключает Исаак Тутусаус, исследователь из ICE-CSIC и IEEC, ассоциированный профессор обсерватории Миди-Пиренеи Университета Тулузы, соавтор исследования. — Это позволит нам узнать о поведении темной материи еще больше и, возможно, приблизиться к разгадке одной из величайших тайн современной космологии».