85% Вселенной — в тени: учёные искали следы новой силы, но нашли идеальный порядок

Темная материя — одно из самых загадочных явлений во Вселенной. Хотя она составляет около 85% всей материи, наблюдать её напрямую невозможно: она не излучает и не поглощает свет. Международная группа ученых, в которую вошли специалисты из Портсмутского университета, провела исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, чтобы понять, подчиняется ли темная материя тем же законам физики, что и обычная, или же на неё действует пятая, пока неизвестная сила.

"Мы сравнили скорости галактик во Вселенной с глубиной гравитационных ям", — пояснил доцент кафедры теоретической физики Камиль Бонвен из Университета Женевы.

Что искали ученые

Исследователи поставили перед собой цель — проверить, влияет ли на темную материю неизвестная сила, помимо гравитации. Обычная материя взаимодействует через четыре фундаментальные силы:

• гравитацию,

• электромагнетизм,

• сильное ядерное взаимодействие,

• слабое ядерное взаимодействие.

Темная материя, согласно общепринятым теориям, подчиняется только гравитации. Однако если бы на неё действовала пятая сила, даже слабая, это изменило бы поведение галактик, особенно в областях с сильным искривлением пространства — гравитационных ямах.

Гравитационные ямы как инструмент наблюдения

Чтобы проверить гипотезу, команда использовала данные с инструмента Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), установленного на 4-метровом телескопе Николаса У. Мейолла в обсерватории Китт-Пик (США). DESI позволяет отслеживать положение миллионов галактик и строить трёхмерную карту распределения вещества во Вселенной.

"Если на темную материю воздействует дополнительная сила, то галактики, состоящие в основном из неё, будут падать в гравитационные ямы иначе, чем обычная материя", — уточнил Бонвен.

Учёные сопоставили скорость движения галактик и глубину гравитационных колодцев, вызванных массивными структурами, и проверили, есть ли отклонения от моделей, где действует только гравитация.

Результат оказался однозначным: движение темной материи полностью соответствует уравнениям Эйлера, описывающим классическое гравитационное взаимодействие. Это означает, что пока не найдено никаких признаков существования дополнительных сил.

Сравнение взаимодействий материи

"Наши данные 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", — отметила доктор Наташа Гримм из Института космологии и гравитации Портсмутского университета.

Советы шаг за шагом: как исследуют темную материю

1. Создание карт Вселенной. С помощью телескопа DESI фиксируются координаты миллионов галактик.

2. Построение гравитационных моделей. По распределению массы определяется глубина гравитационных "ям".

3. Сравнение движения объектов. Измеряются скорости галактик относительно плотности тёмной материи.

4. Проверка гипотезы о пятой силе. Математические модели анализируются на предмет отклонений от закона всемирного тяготения.

5. Выводы о фундаментальных законах. Подтверждается или опровергается влияние дополнительных взаимодействий.

Ошибка — Последствие — Альтернатива

1. Ошибка: считать, что темная материя полностью пассивна.
   Последствие: упускаются возможные скрытые взаимодействия.
   Альтернатива: учитывать гипотезу о слабых силах и проверять её экспериментально.

2. Ошибка: анализировать только светимость объектов.
   Последствие: невозможно понять распределение невидимого вещества.
   Альтернатива: использовать гравитационные эффекты — искривление и движение галактик.

3. Ошибка: ограничиваться локальными измерениями.
   Последствие: теряется масштабное представление о поведении материи во Вселенной.
   Альтернатива: анализировать данные на космологических расстояниях.

А что если пятая сила действительно существует?

Если дополнительная сила всё же есть, она может объяснить многие загадки космоса: неравномерное распределение галактик, ускоренное расширение Вселенной и даже природу тёмной энергии. По расчётам исследователей, её влияние не превышает 2-7% от силы тяжести, но будущие проекты смогут проверить и такие минимальные эффекты.

Следующий этап исследований связан с данными Legacy Survey of Space and Time (LSST), которые будут собираться при помощи телескопа Веры Рубин. LSST сможет отслеживать движение сотен миллиардов звёзд и галактик, что позволит уточнить, есть ли отклонения, незаметные нынешним инструментам.

"Это позволит нам понять ещё больше о природе темной материи и проверить существование пятой силы на ещё более тонком уровне", — добавил Исаак Тутусаус, исследователь ICE-CSIC и IEEC, доцент IRAP Тулузского университета.

Плюсы и минусы текущего подхода

FAQ

Что такое гравитационные ямы?
Это области искривлённого пространства вокруг массивных объектов, где притяжение особенно сильное — своего рода "впадины" в ткани Вселенной.

Почему темную материю нельзя увидеть напрямую?
Она не взаимодействует с электромагнитным излучением, поэтому не отражает и не излучает свет.

Когда можно ожидать новых результатов?
Первые данные LSST и расширенные наблюдения DESI ожидаются в течение ближайших 3-5 лет.

Мифы и правда

1. Миф: тёмная материя — это просто чёрные дыры.
   Правда: чёрные дыры составляют лишь малую часть массы Вселенной, а поведение тёмной материи не совпадает с их свойствами.

2. Миф: пятая сила — фантастика.
   Правда: гипотеза активно изучается в физике элементарных частиц и космологии.

3. Миф: тёмная материя не влияет на Землю.
   Правда: она создаёт гравитационное поле, определяющее движение нашей галактики и всей Солнечной системы.

Исторический контекст

Термин "тёмная материя" был введён в 1933 году швейцарским астрофизиком Фрицем Цвикки, который заметил, что галактики в скоплениях движутся быстрее, чем должно быть при видимой массе. С тех пор теория претерпела множество изменений, но её суть осталась прежней — в космосе существует невидимая масса, влияющая на всё вокруг. Современные инструменты, такие как DESI и LSST, позволяют впервые наблюдать следы этой материи на космических масштабах с беспрецедентной точностью.

"Эти результаты знаменуют собой первый крупный экспериментальный шаг в понимании темной материи. В ближайшие годы новые наблюдения позволят глубже заглянуть в тайны Вселенной", — заключила Наташа Гримм.

Три интересных факта

1. На долю тёмной материи приходится около 27% массы Вселенной, тогда как обычная материя — лишь 5%.

2. Одна из гипотез предполагает, что частицы тёмной материи могут быть миллионы раз легче электрона.

3. На каждые 100 атомов обычного вещества приходится примерно 500 атомов эквивалента тёмной материи - но их пока никто не видел напрямую.