Навіть темна матерія не може втекти від гравітації

Ми все ще багато чого не знаємо про темну матерію, або «відсутню» масу, яка, як вважається, становить близько 85% Всесвіту. Фізики мають вагомі підстави вважати, що вона існує. Нові дослідження підтверджують принаймні одне давнє припущення про темну матерію — що на неї впливає гравітація і її можна виявити за допомогою гравітаційних ефектів.

У статті, опублікованій 3 листопада в журналі Nature Communications, представлено ретельний математичний аналіз галактичних червоних зсувів, або зсувів довжин хвиль галактики, коли вона віддаляється від нас. Набори даних були комбінацією перших трьох років вимірювань з Dark Energy Survey, а також 22 точок даних з різних спектроскопічних досліджень. Дослідники оцінили, наскільки космологічні дані відповідають гравітаційній силі та рівнянням Ейлера, набору інструментів, які використовують астрофізики для врахування ефектів загальної теорії відносності.

Вони знайшли переконливі докази на підтримку ідеї, що темна матерія, як і все інше у Всесвіті, поводиться відповідно до правил гравітації. Водночас вони виявили невелику ймовірність існування таємничої п’ятої сили, яка, якщо вона реальна, може кардинально змінити пошуки темної матерії.

Заглиблення в просторі-часі

Для дослідження вчені звернулися до гравітаційних колодязів — значних «заглиблень» у структурі простору-часу, спричинених гравітаційною силою масивних небесних тіл. Вони відстежували, як наявність гравітаційних хвиль спричиняла зміни в швидкості галактик, представлені даними про червоне зміщення.

«Якщо темна матерія не підлягає дії п’ятої сили, то галактики, які в основному складаються з темної матерії, потраплятимуть у ці колодязі, як звичайна матерія, що підпорядковується виключно гравітації», — пояснив у прес-релізі Каміль Бонвін, співавтор дослідження та фізик Женевського університету в Швейцарії.

Однак, якщо темна матерія не підлягає гравітації, галактики будуть взаємодіяти з гравітаційними хвилями по-різному, згідно з цією статтею. Розрахунки команди продемонстрували, що рухи галактик дійсно підкоряються загальній теорії відносності та рівнянням Ейлера, а це означає, що, ймовірно, те саме стосується і темної матерії.

П’ята сила

Іншою частиною дослідження було розгляд можливості існування невідомої «п’ятої» сили, що діє на темну матерію. Наразі фізики підтвердили існування чотирьох фундаментальних сил природи — гравітації, електромагнетизму, сильної та слабкої ядерної сил — які керують поведінкою всієї матерії. Але чи може темна матерія бути іншою? Чи може вона діяти за іншими правилами?

Коротко кажучи, висновок дослідників був слабким «можливо». Висновки «ще не виключають наявність невідомої сили», — визнала Настасія Грімм, головна авторка дослідження та астрофізик з Університету Портсмута у Великій Британії, у прес-релізі. Однак, якби така сила існувала, її сила не могла б перевищувати 7 % сили гравітації, додала вона, інакше вона вже з’явилася б у спостереженнях.

Проте, за невеликої ймовірності існування п’ятої сили, вона «не тільки порушила б рівняння Ейлера, але й вплинула б на еволюцію коливань щільності та гравітаційних потенціалів», як зазначено в статті. По суті, п’ята сила вимагала б повного перегляду підходів астрофізиків до вивчення галактик.

Чи буде це кошмаром, чи початком фантастичної подорожі, дослідники ще не можуть сказати напевно. Проте вони сподіваються, що незабаром матимуть можливість дослідити це питання далі, використовуючи наступну серію даних з обсерваторії імені Вери Рубін та проекту «Дослідження темної енергії».