Международная группа ученых, включая специалистов из Портсмутского университета, опубликовала в Nature Communications результаты исследования, проливающие свет на темную материю — загадочную форму вещества, которая в пять раз более распространена, чем обычная. Пока ее нельзя увидеть напрямую, но ученые выясняют, как она ведет себя под действием физических сил.
Цель исследования заключалась в проверке, подчиняется ли темная материя тем же законам физики, что и обычная материя, или на нее влияет еще одна, неизвестная сила. Обычная материя взаимодействует через четыре фундаментальные силы: гравитацию, электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия на атомном уровне. Темная материя, по предположению, может подчиняться только гравитации, но гипотеза о пятой силе оставалась открытой.
Гравитационные ямы как космический тест
Исследователи использовали гравитационные ямы — области пространства, искривленные массивными объектами, — чтобы проверить, как темная материя ведет себя в реальных условиях.
«Мы сравнили скорости галактик во Вселенной с глубиной гравитационных ям», — поясняет Камиль Бонвен, доцент кафедры теоретической физики Университета Женевы.
Если бы на темную материю действовала дополнительная сила, движение галактик отклонилось бы от предсказаний, основанных только на гравитации.
Анализ показал, что темная материя падает в эти гравитационные колодцы точно так же, как обычная материя, подчиняясь уравнениям Эйлера.
«На данном этапе наши выводы пока не исключают наличие неизвестной силы. Но если такая пятая сила существует, она не может превышать семи процентов от силы тяжести — иначе она бы уже проявилась в наших анализах», — поясняет доктор Наташа Гримм из Института космологии и гравитации Портсмутского университета.
DESI и карта Вселенной
Для исследования ученые использовали данные Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), установленного на 4-метровом телескопе Николаса У. Мейолла в Национальной обсерватории Китт-Пик. DESI позволяет строить трехмерную карту космоса, отслеживая положение миллионов галактик и других небесных объектов. На снимках DESI видна крупномасштабная структура Вселенной, включая самые плотные участки, которые составляют менее 0,1% от общего объема обзора.
Эти данные помогают не просто увидеть распределение материи, но и понять динамику движения галактик, что важно для выявления любых отклонений, вызванных возможной пятой силой.
«Если на темную материю воздействует дополнительная сила, то галактики, состоящие в основном из нее, будут падать в гравитационные ямы иначе, чем обычная материя», — говорит Бонвен.
Ограничение пятой силы и будущие перспективы
Результаты показывают, что если пятая сила существует, она слишком слаба, чтобы заметно повлиять на крупномасштабное поведение Вселенной.
«Наши данные пока не исключают ее наличие, но влияние не превышает семи процентов от силы тяжести», — уточняет Наташа Гримм.
Следующим шагом станет использование данных будущих экспериментов, таких как Legacy Survey of Space and Time (LSST) и новые измерения DESI, которые смогут зафиксировать влияние сил, составляющих всего два процента от силы тяжести.
«Это позволит нам понять еще больше о природе темной материи и проверить существование пятой силы на еще более тонком уровне», — добавляет Исаак Тутусаус, исследователь ICE-CSIC и IEEC, а также доцент IRAP Тулузского университета.
Значение открытия
Первое систематическое исследование динамики темной материи в гравитационных ямах открывает новый путь к изучению этой загадочной субстанции. Ранее было известно лишь, что темная материя взаимодействует через гравитацию, но детали оставались неясными. Теперь ученые получили подтверждение, что на космических масштабах она ведет себя как обычная материя, что открывает возможности для проверки существования дополнительных, пока неизвестных сил.
«Эти результаты знаменуют собой первый крупный экспериментальный шаг в понимании темной материи. В ближайшие годы новые наблюдения позволят глубже заглянуть в тайны Вселенной», — заключает Наташа Гримм
Обнаружены возможные «темные звезды», питающиеся темной материей
Астрономы обнаружили загадочный объект, искажающий пространство и время
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram