Следва ли тъмната материя същите закони като обикновената материя? Загадката на този невидим и хипотетичен компонент на нашата вселена – който нито излъчва, нито отразява светлина – остава неразгадана. Екип, включващ членове от Женевския университет (UNIGE), си е поставил за цел да определи дали в космологичен мащаб тази материя се държи като обикновената материя или други сили влизат в действие.
Техните открития, публикувани в престижното списание Nature Communications, показват, че тъмната материя се държи по начин, съвместим с конвенционалните гравитационни закони, но въпреки това допускат възможността за фини отклонения и все още неизвестни взаимодействия, които биха могли да намекнат за нова физика.
Обикновената материя се подчинява на четири добре познати сили: гравитация, електромагнетизъм и силни и слаби сили на атомно ниво. Но какво да кажем за тъмната материя? Невидима и неуловима, тя би могла да бъде подчинена на същите закони или да се управлява от пета, все още неизвестна сила.
Дали тъмната материя се подчинява на същите закони на гравитацията
Централно място за разбирането на новите резултати играе ролята на гравитацията, как тя се проявява в космологични мащаби. Обикновената материя, съставена от атоми и молекули, гравитира към области с плътна маса, образувайки структури като звезди, галактики и клъстери. Това клъстериране възниква, защото самото пространство-време е изкривено от маса-енергия, създавайки гравитационни кладенци, в които материята естествено пада.
Общата теория на относителността на Айнщайн предоставя математическата рамка, описваща как гравитацията оформя Вселената като цяло. Допълнително, класическата флуидна динамика, капсулирана в уравненията на Ойлер, определя как полетата на скоростта на обикновената материя реагират на тези потенциални кладенци. Дали тъмната материя се съобразява със същите хидродинамични принципи е предмет на интензивен дебат, с последици, които се простират до ядрото на физиката на елементарните частици и космологията.
В това новаторско проучване, екипът, ръководен от UNIGE, се стреми директно да оцени дали тъмната материя проявява движение, аналогично на обикновената материя, под влиянието на тези гравитационни потенциали.
Методологията се основава на изследване на скоростите на далечни галактики, съставени предимно от ореоли от тъмна материя, обгръщащи видими структури. Ако тъмната материя взаимодейства единствено чрез гравитация, тогава движенията на галактиките би трябвало да съответстват на прогнозите от уравненията на Ойлер в рамките на изкривената пространствено-времева тъкан.
Обратно, ако хипотетична пета сила действа изключително върху тъмната материя, това би предизвикало измерими отклонения в профилите на галактическата скорост спрямо дълбините на гравитационните кладенци.
"Ако тъмната материя не е подложена на пета сила, тогава галактиките – които са предимно съставени от тъмна материя – ще попаднат в тези кладенци като обикновена материя, управлявана единствено от гравитацията. От друга страна, ако действа пета сила върху тъмната материя, тя ще повлияе на движението на галактиките, които след това биха попаднали в кладенците по различен начин. Като сравняваме дълбочината на кладенците със скоростите на галактиките, можем да проверим за наличието на такава сила", обяснява Камий Бонвин (Camille Bonvin), доцент в катедрата по теоретична физика в Природонаучния факултет на UNIGE и съавтор на изследването.
Новият анализ включва прецизно сравнение между наблюдаваните скорости на галактиките и изведените гравитационни потенциални кладенци, картографирани чрез мащабни изследвания.
Уравненията на Ойлер все още са валидни
Използвайки най-съвременни космологични данни, включително измервания на червено отместване и ефекти на гравитационно лещиране, изследователите реконструират дълбочината на тези кладенци на огромни космически разстояния.
Резултатите разкриват забележително съответствие: галактиките, доминирани от тъмна материя, попадат в гравитационни кладенци с динамика, съответстваща на хидродинамичните уравнения на Ойлер и прогнозите на Общата теория на относителността.
Този резултат предполага, че поне в рамките на настоящите наблюдателни граници, тъмната материя изпитва гравитация по почти същия начин като обикновената материя.
Вратичката за пета сила е все още открехната
Карта на разпределението на галактиките, наблюдавана от колаборацията DESI, от която е възможно точно да се измерят скоростите на галактиките. Кредит: DESI Collaboration/NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor.
Въпреки резултатите, изследването не отхвърля напълно възможността тъмната материя да бъде повлияна от допълнителни сили.
Според Настасия Грим (Nastassia Grimm), първият автор и бивш постдокторант в UNIGE, сега свързан с Университета в Портсмут, всяка такава пета сила трябва да е изключително слаба - по-малко от 7% от силата на гравитацията - в противен случай нейните ефекти биха се проявили в сравненията скорост-дълбочина.
Тази горна граница поставя строги ограничения върху спекулативните модели, предлагащи нови взаимодействия в тъмния сектор, което ефективно стеснява спектъра на жизнеспособни теории за тъмната материя.
Последиците от тези открития са дълбоки както за теоретичната физика, така и за наблюдателната космология. Първо, потвърждението, че тъмната материя се подчинява на уравненията на Ойлер в космологични мащаби, подкрепя фундаменталните предположения, залегнали в основата на моделите за формиране на структури в голям мащаб.
Тези модели симулират как първичните флуктуации са еволюирали в космическата мрежа от галактики, наблюдавани днес. Второ, ограниченията на петата сила насочват физиците на елементарните частици за усъвършенстването на кандидатите за тъмна материя, от слабо взаимодействащи масивни частици (WIMP) до аксиони и отвъд тях, като гарантират, че тези модели остават съвместими с астрофизичните наблюдения.
С поглед напред, стремежът за по-нататъшно изясняване на природата на тъмната материя зависи от предстоящи експериментални и наблюдателни кампании. Забележително е, че изследванията от следващо поколение, като например Legacy Survey of Space and Time (LSST), проведено от обсерваторията "Вера Рубин", заедно с Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), обещават безпрецедентна чувствителност към фините сили, влияещи върху тъмната материя.
Тези инструменти ще изследват струпването на галактики и полетата на скоростта с изключителна прецизност, потенциално откривайки пета сила, слаба едва 2% от силата на гравитацията. Такива възможности биха могли да предскажат промяна в парадигмата, разкривайки нови взаимодействия, които досега са били неоткриваеми.
Справка: Nastassia Grimm et al, Comparing the motion of dark matter and standard model particles on cosmological scales, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65100-8
Източници:
Dark matter does not defy gravity, study suggests , University of Geneva
Dark Matter Conforms to Gravity, New Findings Reveal, Bioengineer
Още по темата
Космос
Наблюденията на галактики джуджета дават превес на тъмната материя пред модифицираната гравитация
Космос
Тъмната материя и тъмната енергия може да са илюзии, създадени от вариращи физически константи
Физика
Гравитиното - нов кандидат за тъмна материя и не само
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Gunteer
Престижна награда от БАН спечели главният редактор на НаукаOFFNews
Християнин
Това е кралят на тиквите: Тиквата му тежи над един един тон
dolivo
Сахара очаква 75% увеличение на валежите до 2100 г.
dolivo
Земната ябълка: стара култура за новите климатични времена