Тёмная материя больше не загадка? Найдены новые ответы о её поведении

История тёмной материи началась не вчера и даже не в XXI веке. Ещё в 1930-е годы астроном Фриц Цвикки заметил, что галактики в скоплении Кома двигаются так, словно там есть дополнительная, невидимая масса.

Позже Вера Рубин показала: звёзды на окраинах галактик вращаются слишком быстро, и их не удержала бы одна только видимая материя. Так появился термин "тёмная материя" — вещество, которое не светится, не поглощает свет, но явно участвует в гравитационной игре.

Исторический контекст

Долгое время физики исходили из простой идеи: тёмная материя подчиняется тем же законам гравитации, что и обычная, только почти ни с чем не взаимодействует кроме как через притяжение. Но по мере накопления космологических данных некоторые исследователи начали задавать неудобный вопрос: а что, если у тёмной материи есть свои, особые взаимодействия? Например, некая "пятая сила", действующая только в тёмном секторе и чуть-чуть меняющая движение галактик.

Команда из Женевского университета решила впервые напрямую проверить это допущение на космологических масштабах. В работе, опубликованной в Nature Communications, они сравнили, как галактики (в основном состоящие из тёмной материи) падают в гравитационные "колодцы" — области искривлённого пространства-времени вокруг массивных структур. Результат получился скупо-революционный: на доступных нам масштабах тёмная материя ведёт себя так, как будто на неё действует только гравитация.

Советы шаг за шагом

Как "разобрать по полочкам" это исследование, если вы не космолог?

Шаг 1. Представьте гравитационный колодец

Массивные объекты — скопления галактик, крупные скопления материи — искривляют пространство-время. Визуально это часто рисуют как воронку или "колодец" в резиновой плёнке. Обычная материя падает в эти колодцы по законам общей теории относительности и уравнений Эйлера (если говорить языком гидродинамики).

Шаг 2. Вспомните, что галактики — это "маячки" тёмной материи

Считается, что галактики сидят в гало тёмной материи. Поэтому их скорости и распределение по Вселенной можно использовать как косвенный индикатор того, как именно движется тёмная материя.

Шаг 3. Сравниваем глубину колодца и скорость падения

Учёные используют космологические данные, чтобы оценить:

• насколько "глубоким" должен быть гравитационный колодец (это связано с распределением масс и гравитационным потенциалом);

• с какими скоростями галактики в него "скатываются".

Если тёмная материя подчиняется только гравитации, связь между глубиной колодца и скоростью галактик будет описываться стандартными уравнениями. Если есть дополнительная сила, движения слегка "рассинхронизируются".

Шаг 4. Смотрим на результат

Женевская команда обнаружила, что в диапазоне красных смещений (z approx 0{,}3-0{,}8) данные хорошо согласуются с обычной гравитацией: тёмная материя, насколько можно судить, подчиняется уравнению Эйлера. Любая дополнительная "подталкивающая" сила, если она существует, должна быть не сильнее примерно 7 % гравитационной - иначе её след уже был бы заметен.

Шаг 5. Ждём более точных обзоров

Следующий логичный шаг — собрать гораздо более детальные карты Вселенной. Здесь на сцену выходят обсерватория Веры Рубин (LSST) и прибор DESI, которые позволят искать отклонения на уровне всего 2 % от силы гравитации.

Три факта

1. Тёмная материя ведёт себя "по-классике"

На доступных сегодня масштабах тёмная материя падает в гравитационные колодцы так, будто действует только гравитация и верны привычные уравнения Эйлера. Это усиливает доверие к стандартной космологической модели, где тёмная материя — холодная и слабо взаимодействующая.

2. Пятая сила, если есть, очень ограничена

Исследование не убивает идею новой фундаментальной силы полностью, но серьёзно сжимает ей пространство: влияние такой силы на движение тёмной материи не может превышать примерно 7 % гравитации. Сильные "экзотические" сценарии становятся маловероятными.

3. Будущие эксперименты докрутят точность до 2 %

LSST и DESI дадут астрономам принципиально новый уровень детализации карт распределения галактик и их скоростей. Это позволит проверить, нет ли тонких отклонений от чисто гравитационного поведения — уже на уровне нескольких процентов, где и может прятаться слабая пятая сила.

Мифы и правда

Миф 1. "Раз пятой силы почти не видно — тёмной материи вообще нет"

Правда: всё как раз наоборот. Результат женевской команды подтверждает: то, что мы называем тёмной материей, ведёт себя как обычное вещество под действием гравитации, только невидимо в других диапазонах. То есть идея тёмной материи как дополнительного гравитирующего компонента получает ещё одну опору.

Миф 2. "Если новая сила слабее 7 %, она ни на что не влияет"

Правда: в космологии даже "копеечные" эффекты могут иметь значение. На масштабах миллиардов световых лет и миллиардов лет эволюции даже пара процентов отклонения в силе может изменить темп формирования структур или слегка скорректировать картину расширяющейся Вселенной.

Миф 3. "Теперь с гравитацией всё понятно, можно закрывать тему"

Правда: работа показывает лишь, что на текущем уровне точности данные согласуются со стандартной гравитацией. Но остаются открытыми более тонкие вопросы: возможны ли крошечные отклонения, как ведёт себя гравитация на ещё больших или, наоборот, малых масштабах, и нет ли связи тёмной материи с тёмной энергией через какой-то общий механизм.

FAQ

Что такое тёмная материя в двух словах?
Это гипотетический вид материи, который не излучает и не поглощает свет, поэтому его нельзя увидеть напрямую. О её существовании судят по гравитационным эффектам: скорости звёзд в галактиках, гравитационное линзирование, динамика скоплений.

Что за "гравитационные колодцы"?
Это образное название областей, где пространство-время искривлено массивными объектами. В таких областях всё - от газа до галактик — стремится "скатиться" вниз по гравитационному потенциалу.

Зачем здесь уравнения Эйлера, если есть общая теория относительности?
На больших масштабах движение материи (включая тёмную) удобно описывать как движение "жидкости". Уравнения Эйлера — базовое приближение для такой космической "гидродинамики" под действием гравитации, согласованное с ОТО в нужных границах.

Что за "пятая сила" и сколько у нас вообще сил?
К обычной материи применимы четыре фундаментальные взаимодействия: гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное. "Пятая сила" — общее название для любой новой фундаментальной силы, которая пока не обнаружена. В данном контексте речь о гипотетической силе, действующей на тёмную материю и чуть изменяющей её движение.

Когда ждать новых результатов от LSST и DESI?
Оба проекта уже начали или начинают фазу активных наблюдений. В ближайшие годы они будут собирать огромные объёмы данных о галактиках и крупномасштабной структуре Вселенной. По мере обработки этих данных космологи смогут ещё точнее проверить, действительно ли тёмная материя подчиняется "только гравитации" или всё-таки в уравнения нужно добавить слабую, но фундаментальную новую силу.