Темная материя подчиняется гравитации, но ученые допускают существование загадочной пятой силы

Ученые подтвердили давнее предположение о темной материи – она подвержена влиянию гравитации и может быть обнаружена через гравитационные эффекты. Исследование, опубликованное в Nature Communications, представляет детальный математический анализ галактических красных смещений и открывает небольшую, но интригующую возможность существования таинственной пятой силы.

Темная материя составляет около 85% Вселенной, но о ней всё ещё известно крайне мало. Физики имеют веские основания полагать, что она существует, и новая работа подтверждает одну из ключевых гипотез о её природе.

Методология исследования

Исследователи проанализировали галактические красные смещения – изменения длин волн света галактик по мере их удаления от нас. Наборы данных включали первые три года измерений Dark Energy Survey, а также 22 точки данных из различных спектроскопических обзоров. Ученые оценили, насколько космологические данные соответствуют гравитационной силе и уравнениям Эйлера – набору инструментов, используемых астрофизиками для учета эффектов общей теории относительности.

Команда обнаружила убедительные доказательства того, что темная материя, как и всё остальное во Вселенной, ведёт себя согласно правилам гравитации. Одновременно ученые выявили небольшую вероятность существования загадочной пятой силы, которая, если окажется реальной, может радикально изменить поиск темной материи.

Гравитационные колодцы

В исследовании ученые обратились к гравитационным колодцам – значительным "провалам" в ткани пространства-времени, вызванным гравитационной силой массивных небесных тел. Они отслеживали, как присутствие гравитационных волн вызывает изменения в скорости галактик, представленные данными красного смещения.

Камилль Бонвен, соавтор исследования и физик из Женевского университета в Швейцарии, отметила:

Если темная материя не подвержена пятой силе, то галактики – которые в основном состоят из темной материи – будут падать в эти колодцы как обычная материя, управляемые исключительно гравитацией.

Если бы темная материя не подчинялась гравитации, галактики взаимодействовали бы с гравитационными волнами иначе. Расчеты команды продемонстрировали, что галактические движения действительно подчиняются общей теории относительности и уравнениям Эйлера – что означает высокую вероятность применимости этого и к темной материи.

Возможность пятой силы

Другая часть исследования рассматривала возможность неизвестной "пятой" силы, действующей с темной материей. До сих пор физики подтвердили четыре фундаментальные силы природы – гравитацию, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия, управляющие поведением всей материи. Может ли темная материя отличаться и действовать по другим правилам?

Заключения пока не исключают присутствие неизвестной силы, призналась Настасия Гримм, ведущий автор исследования и астрофизик из Портсмутского университета в Великобритании. Однако если такая сила существует, её мощность не может превышать 7% силы гравитации, добавила она, иначе уже проявилась бы в наблюдениях.

Тем не менее, в маловероятном случае существования пятой силы она "не только нарушит уравнение Эйлера, но и окажет влияние на эволюцию флуктуаций плотности и гравитационных потенциалов". По сути, пятая сила потребует полной переоценки способа изучения галактик астрофизиками.

Станет ли это кошмаром или началом фантастического путешествия, исследователи пока не уверены. Ученые ожидают, что вскоре получат шанс глубже изучить этот вопрос, используя следующий раунд данных от обсерватории Веры Рубин и Dark Energy Survey.