Kai tamsiosios materijos trauka sulėtina Visatos augimą

Įsivaizduokite virvės traukimo varžybas, kur virvė tampa lengvesnė, kai ją tempiate. Keista, tiesa? Šis neįprastas vaizdinys padeda atskleisti neseną kosmologijos posūkį: suteikus tamsiajai materijai slaptą traukos jėgą, Visata nebūtinai tampa labiau sutankėjusi. Iš tiesų daugeliu atvejų nutinka priešingai.

Fizikai ilgą laiką tamsiąją materiją traktavo kaip vaiduoklišką medžiagą, formuojančią galaktikas ir kosminius tinklus vien tik per gravitaciją. Bet kas, jei tamsioji materija taip pat bendravo su savimi per atomams nematomą jėgą? Ši idėja jau klaidžioja literatūroje, nes kai kurie aukštos tikslumo Visatos matavimai nesutampa idealiai. Nedideli neatitikimai tarp kosminio mikrobangų fono (Visatos kūdikio nuotrauka) ir galaktikų augimo apklausų paskatino teoretikus svarstyti, ar gali veikti paslėpta sąveika.

Zachary Weinerio vadovaujama tyrėjų grupė Perimeter instituto išnagrinėjo šią galimybę tyrime, paskelbtame žurnale „Kosmologijos ir astropartikulių fizika“. Jie konstravo modelius, kuriuose tamsiosios materijos dalelės patiria papildomą ilgų nuotolių trauką be gravitacijos, ir sekė du tarpusavyje susijusius dalykus: kaip ta papildoma trauka keičia Visatos plėtros istoriją ir kaip ji veikia didelio masto struktūrų formavimąsi.

Iš pirmo žvilgsnio atsakymas atrodo akivaizdus. Papildoma trauka turėtų pagreitinti susitelkimą, tiesa? Greitesnis susitelkimas reikštų tankesnes galaktikas ir ryškesnius požymius apklausose. Tačiau Visata gali būti netikėtai subtili. Būtent ta sąveika, kuri traukia daleles arčiau, taip pat keičia jų efektyvias savybes Visatai plečiantis. Modeliuose, kuriuos nagrinėjo komanda, tamsiosios materijos dalelės palaipsniui praranda efektyvią masę.

Šis masės nykimas yra reikšmingas. Mažesnė masė reiškia silpnesnį gravitacinį poveikį aplinkinei erdvėlaikio geometrijai. Taigi, nors papildoma tamsiojo sektoriaus jėga skatina daleles klostytis lokaliai, jų menkėjanti gravitacinė galia sumažina bendrą struktūrų augimo gebą. Šie du efektai konkuruoja. Daugumoje scenarijų laimi silpnėjanti masė.

Papildoma trauka todėl gali lemti lėtesnį kosminių struktūrų augimą, o ne greitesnį. Tai prieštaringas rezultatas, bet turintis praktinių pasekmių: darkio jėgos negalima atsainiai kviesti paaiškinti stebėjimų neatitikimų, neįvertinus jos poveikio dalelių masei ir Visatos plėtrai.

Kodėl tai svarbu dabartiniams kosmologijos galvosūkiams? Apklausos, tokios kaip DESI, ir detalūs kosminio mikrobangų fono žemėlapiai pateikia vis tikslesnius Visatos plėtros ir susitelkimo laiko momentus. Kai kurie analizės rezultatai rodo, kad Visata praeityje galėjo plėstis šiek tiek kitaip nei numato standartinis Lambda-CDM modelis, arba kad materija didžiausiuose masteliuose gali būti stipriau susitelkusi. Šie neatitikimai yra nedideli, bet pakankamai nuolatiniai, kad skatintų ieškoti naujos fizikos.

Weinerio komandos darbas rodo, kad tam tikros tamsiosios materijos sąveikų klasės nepaprastai nesustos ties vienu norimu poveikiu. Daugelis tamsiosios jėgos idėjos plėtinių, siūlomų suderinti stebėjimus, greičiausiai susidurs su tuo pačiu kompromisu tarp stipresnių tarpusavio traukų ir mažėjančios efektyvios masės. Bet kuri perspektyvi teorija turi subalansuoti abu efektus.

Tolimesnis žingsnis bus duomenimis grindžiamas mainas. Naujos ir artėjančios apklausos, pagerinti kosminio mikrobangų fono matavimai ir patikslinti galaktikų augimo tyrimai susiaurins leidžiamų sąveikų erdvę. Teoretikai turės integruoti šiuos observacinius apribojimus į sudėtingesnius modelius, kad patikrintų, ar kuri nors paslėpta jėga gali atitikti visus kosmologinius faktus.

Tai priminimas, kad kosminė intuicija kartais klaidžioja. Visata dažnai slepia savo taisykles, jungdama paprastas idėjas netikėtais būdais. Užduokite kitą klausimą ir atsakymas pasikeis; suteikite tamsiajai materijai naują rankos paspaudimą ir visas kosminis šokis pasisuks kitaip.