Испытание гравитацией: подчиняется ли темная материя законам обычного мира?
Основная масса Вселенной погружена во тьму, и главный ее компонент — невидимый, не излучающий и не отражающий свет, — получил имя темной материи. Эта неуловимая субстанция в пять раз превосходит по распространенности всю известную нам материю, из которой состоит знакомый нам мир. Подчиняется ли этот таинственный фундамент Вселенной тем же законам, что и вещество наших тел и звезд, или же им управляют силы, лежащие за гранью нашего понимания?
Группа ученых из Женевского университета (UNIGE) предприняла смелую попытку найти ответ на этот фундаментальный вопрос. Их исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, было сосредоточено на проверке фундаментального принципа: как темная материя реагирует на гравитацию в космологических масштабах. Известно, что под влиянием массивных объектов ткань пространства-времени искажается, образуя «гравитационные ямы».
Обычная материя — планеты, звезды, газ — подчиняется строгим правилам, описываемым общей теорией относительности Эйнштейна и уравнениями Эйлера, и предсказуемо «падает» в эти ямы. Если темная материя управляется только гравитацией и известными взаимодействиями, она должна вести себя аналогично. Однако если ею правит некая пятая, неизвестная сила, ее движение будет иным.
Чтобы проверить эту гипотезу, астрофизики разработали изящный метод. Они сравнили скорости движения галактик, которые, как считается, погружены в огромные ореолы темной материи, с глубиной гравитационных ям, в которые они попадают. Если бы темная материя испытывала на себе действие дополнительной силы, это отразилось бы на скоростях галактик, заставляя их двигаться иначе, чем предсказывают расчеты, основанные лишь на гравитации.
Тщательный анализ имеющихся космологических данных привел ученых к важному выводу: в пределах текущей точности измерений темная материя падает в гравитационные колодцы точно так же, как и обычная видимая материя. Ее поведение согласуется с уравнениями Эйлера, что является серьезным аргументом в пользу универсальности законов физики для всей материи во Вселенной, видимой и невидимой.
Однако тайна еще не раскрыта полностью. Это открытие, хоть и знаменующее собой значительный шаг вперед, не закрывает полностью возможность существования новой силы. Как отмечают авторы работы, если такая пятая сила и существует, то ее влияние крайне мало — она не может превышать семи процентов от силы действия гравитации. В противном случае ее сигнал был бы уже обнаружен в проведенном анализе. Таким образом, дверь для новых физических теорий приоткрыта, но установлены строгие ограничения на параметры гипотетического взаимодействия.
Перспективы решения этой головоломки выглядят чрезвычайно заманчиво. Следующее поколение экспериментов, таких как масштабный обзор неба LSST (Large Synoptic Survey Telescope) и проект DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), обещает предоставить данные беспрецедентной точности. Эти инструменты будут чувствительны к воздействию сил, составляющих всего около двух процентов от силы гравитации.
Это значит, что в ближайшем будущем можно будет либо окончательно подтвердить, что темная материя подчиняется исключительно известным законам, либо совершить величайшее открытие — обнаружить следы новой, пятой фундаментальной силы, которая перепишет наши представления о мироздании.