Materia întunecată e descrisă de obicei ca o substanță invizibilă care răspunde doar la gravitație. Fizicienii explorează însă acum o posibilitate mai complicată: particulele de materie întunecată ar putea interacționa și printr-o forță ascunsă, proprie lor.
Un studiu publicat în Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) de o echipă internațională arată că o ipotetică „forță întunecată” ar încetini, de fapt, formarea structurilor cosmice. Descoperirea contraintuitivă complică eforturile fizicienilor de a rezolva tensiunile actuale din modelul cosmologic standard.
De ce iau cercetătorii în calcul o forță întunecată
Importanța validării unei astfel de interacțiuni ascunse este mare: ar putea explica discrepanțele majore (tensiunile cosmologice) observate recent între rata de expansiune prezisă a Universului și măsurătorile directe. Interesul pentru o posibilă „forță întunecată” a crescut pe măsură ce observațiile extrem de precise ale Universului au produs rezultate care nu se aliniază întotdeauna perfect.
Măsurătorile expansiunii cosmice și cele ale dezvoltării galaxiilor și a altor structuri mari par uneori să ofere imagini ușor diferite. Unele observații ale Universului îndepărtat sugerează că expansiunea ar fi putut avea loc ceva mai lent în trecut decât prezice modelul cosmologic standard.
În același timp, studiile privind radiația cosmică de fond sugerează de multă vreme că materia ar putea fi mai dens aglomerată la cele mai mari scări ale Universului decât se aștepta.
Diferențele sunt relativ mici, dar i-au făcut pe cercetători să se întrebe dacă modelului standard al cosmologiei nu îi lipsește un ingredient important.
O posibilitate e ca particulele de materie întunecată să fie supuse unei forțe suplimentare, pe care materia obișnuită nu o poate detecta. Fiindcă interacțiunea ar avea loc doar în interiorul sectorului materiei întunecate, cercetătorii o numesc „forță întunecată”. O astfel de interacțiune ar putea afecta atât expansiunea Universului, cât și formarea galaxiilor și a structurilor cosmice mai mari.
„Ceea ce știm cu adevărat despre materia întunecată a fost descoperit până acum doar prin efectele sale gravitaționale. Acest lucru lasă deschisă posibilitatea ca materia întunecată să aibă interacțiuni suplimentare, ascunse de materia obișnuită.”, a spus Zachary Weiner, cercetător la Institutul Perimeter pentru Fizică Teoretică și autor corespondent al studiului.
Mecanismul fizic: Cum ar influența o forță întunecată structurile cosmice?
Echipa a analizat un grup de modele teoretice în care particulele de materie întunecată interacționează printr-o forță de rază lungă, pe lângă gravitație.
Folosind calcule teoretice împreună cu date cosmologice, cercetătorii au studiat cum ar influența această interacțiune ascunsă istoria expansiunii cosmice și creșterea structurilor la scară largă.
La prima vedere, rezultatul așteptat pare simplu. Dacă particulele de materie întunecată se atrag reciproc și printr-o altă forță, ar trebui să se adune în aglomerări mai repede. O aglomerare mai puternică ar putea totodată explica observațiile care sugerează că Universul conține structuri mai dense decât s-a prevăzut.
„Primul lucru la care te-ai aștepta este că, dacă i se conferă materiei întunecate o forță de atracție suplimentară, structurile ar trebui să crească mai repede. Dar, în același timp, intră în joc un alt efect.”, a spus Weiner.
Cele două efecte se anulează reciproc
În modelele examinate, forța suplimentară chiar face materia întunecată să se aglomereze mai eficient. Ea schimbă însă și felul în care se comportă materia întunecată pe măsură ce Universul se extinde.
Echipa de cercetare formată din fizicienii Marco Costa, Cyril Creque-Sarbinowski, Olivier Simon și Zachary Weiner explică faptul că această aparentă «pierdere de masă» nu este o dezintegrare clasică. Aceasta este determinată de un mediator scalar (un câmp asociat forței), care face ca atracția suplimentară să fie anulată de diluarea mai rapidă a densității de fond a materiei întunecate, efect observabil direct prin lentilarea radiației cosmice de fond.
Același proces face ca particulele de materie întunecată să-și piardă efectiv din masă în timp. Reducerea le slăbește influența gravitațională și compensează atracția mai puternică produsă de forța ascunsă.
Prin urmare, aglomerarea sporită nu lasă o amprentă gravitațională mai puternică asupra radiației cosmice de fond. În majoritatea cazurilor, efectul combinat suprimă de fapt creșterea structurii cosmice.
Consecințe pentru DESI și pentru modelele energiei întunecate
Rezultatele ar putea fi relevante și pentru teorii care depășesc sfera materiei întunecate. Unele explicații propuse pentru măsurătorile recente ale Instrumentului Spectroscopic pentru Energia Întunecată (DESI) presupun interacțiuni similare între particulele de materie întunecată.
Potrivit cercetătorilor, mecanismul identificat acum va influența probabil și multe dintre aceste modele mai complexe. Orice teorie care implică o forță de atracție ascunsă ar putea fi nevoită să țină seama de posibilitatea ca materia întunecată să devină efectiv mai ușoară pe măsură ce Universul evoluează.
Măsurători mai precise, de la viitoare observatoare și cartografieri cosmice, i-ar putea ajuta pe cercetători să determine ce interacțiuni ascunse ar putea avea materia întunecată și ce posibilități pot fi excluse prin observații.
„Universul este adesea mai subtil decât ne sugerează intuiția. Tocmai de aceea trebuie să continuăm să testăm aceste idei.”, a spus Weiner.
În contextul în care datele recente ale colaborării DESI (DR2) sugerează o tensiune statistică față de modelul clasic, testarea riguroasă a acestor interacțiuni ascunse devine esențială. Nu este vorba doar despre a găsi o nouă componentă a Universului, ci de a rescrie istoria expansiunii sale.
Ce s-a mai descoperit în Univers?
Roverul Curiosity a găsit pe Marte un câmp de fracturi poligonale care se întinde până la orizont
O rachetă SpaceX s-a ciocnit de Lună, iar telescoapele au surprins norul de sodiu și litiu
Venus ar putea fi mai vie decât ne închipuiam, iar dovada stă în lățimea crăpăturilor ei
Un semnal extraterestru ar putea sta la frecvențe pe care aproape nimeni nu le ascultă
