Темная сила замедляет рост галактик: неожиданный эффект загадочной материи

Темная материя — невидимая субстанция, которая удерживает галактики вместе благодаря гравитации. Её природа до сих пор неизвестна, но ученые почти не сомневаются в её существовании. Согласно Стандартной космологической модели ΛCDM, темная материя влияет на эволюцию Вселенной только через гравитацию. Однако некоторые теоретические модели предполагают, что между её частицами могут существовать дополнительные взаимодействия — «темные силы», не связанные с обычным веществом. Обнаружить их можно лишь косвенно, по влиянию на формирование космических структур.

Как темная сила компенсирует саму себя

Авторы новой работы изучили простейший вариант такой идеи: между частицами темной материи действует дополнительная сила, переносимая очень легкой скалярной частицей. Интуитивно такое взаимодействие должно усиливать притяжение между сгустками темной материи и помогать структурам расти быстрее. Однако детальный анализ показал обратное.

Дополнительная сила действительно усиливала локальное «склеивание» темной материи, но одновременно влияла на общую эволюцию её плотности во Вселенной. Эти эффекты почти полностью компенсировали друг друга. Для наблюдений слабого гравитационного линзирования, чувствительных к общей массе и распределению вещества, предполагаемое усиление роста структур фактически исчезало.

Реликтовое излучение ставит крест на простых моделях

Исследователи также учли ограничения, накладываемые измерениями реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Оказалось, что модели темной силы, согласующиеся с этими данными, требуют большего вклада темной энергии в поздней Вселенной. Это приводит уже не к нейтральному эффекту, а к заметному подавлению роста космических структур по сравнению с моделью ΛCDM.

В более сложных сценариях переносчик взаимодействия обладал ненулевой массой. Ситуацию это не улучшило: хотя некоторые компенсационные эффекты становились слабее, сами частицы-переносчики вносили дополнительный вклад в космическую динамику и в результате ещё сильнее препятствовали образованию крупных структур.

Результаты исследования показали, что простые модели дополнительной силы едва ли могут объяснить наблюдаемые космологические аномалии, связанные с ростом структур. Напротив, они предсказывают противоположный эффект. При этом авторы не исключили существование более сложных взаимодействий темной материи. Будущим теориям придется учитывать строгие ограничения, вытекающие из наблюдений реликтового излучения и крупномасштабной структуры Вселенной.

Природа темной материи остается одной из главных загадок современной физики. Ни одна из многочисленных гипотез, связывающих её с элементарными частицами, не получила подтверждения. Как и предположения о существовании темных сил. Поэтому исследователи продолжают искать как новые свойства темной материи, так и альтернативные объяснения космических явлений.