ماده تاریک معمولاً به عنوان مادهای نامرئی توصیف میشود که تنها به گرانش پاسخ میدهد. اما دانشمندان اکنون در حال بررسی امکان پیچیدهتری هستند: ذرات ماده تاریک ممکن است از طریق نیروی پنهان خود نیز با یکدیگر تعامل داشته باشند.
مطالعه جدیدی در Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) بررسی کرد که اگر ماده تاریک یک نیروی جاذبه اضافی را تجربه کند چه اتفاقی میافتد. نتایج به طرز شگفتآوری غیرمنتظره بود. اگرچه این نیرو باعث میشود ماده تاریک به طور مؤثرتری جمع شود، اما معمولاً رشد ساختار کیهانی را تسریع نمیکند. در عوض، تمایل به کند کردن این رشد دارد.
چرا دانشمندان در حال بررسی نیروی تاریک هستند
علاقه به یک "نیروی تاریک" احتمالی با افزایش مشاهدات بسیار دقیق از جهان که نتایجی را تولید کردهاند که همیشه کاملاً همسو نیستند، افزایش یافته است.
اندازهگیریهای انبساط کیهانی و توسعه کهکشانها و سایر ساختارهای بزرگ گاهی به نظر میرسد داستانهای کمی متفاوت را روایت میکنند. برخی مشاهدات از جهان دور نشان میدهند که انبساط ممکن است در گذشته تا حدودی کندتر از آنچه مدل استاندارد کیهانشناسی پیشبینی میکند، پیش رفته باشد.
در عین حال، مطالعات پسزمینه مایکروویو کیهانی مدتهاست نشان میدهند که ماده ممکن است در بزرگترین مقیاسهای جهان بیش از حد انتظار به هم فشرده شده باشد.
این تفاوتها نسبتاً کوچک هستند، اما دانشمندان را ترغیب کردهاند تا بپرسند که آیا مدل استاندارد کیهانشناسی ممکن است یک عنصر مهم را از دست داده باشد.
یک احتمال این است که ذرات ماده تاریک نیروی اضافی را احساس کنند که ماده معمولی قادر به تشخیص آن نیست. از آنجا که این تعامل فقط در بخش ماده تاریک عمل میکند، محققان از آن به عنوان "نیروی تاریک" یاد میکنند. چنین تعاملی به طور بالقوه میتواند هم بر انبساط جهان و هم بر شکلگیری کهکشانها و ساختارهای کیهانی بزرگتر تأثیر بگذارد.
زاخاری واینر، محقق مؤسسه Perimeter برای فیزیک نظری و نویسنده مسئول این مطالعه، میگوید: "آنچه ما واقعاً درباره ماده تاریک میدانیم تا کنون فقط از طریق اثرات گرانشی آن آموخته شده است. این امکان را باز میگذارد که ماده تاریک ممکن است تعاملات اضافی داشته باشد که از ماده معمولی پنهان هستند."
آزمایش نیرویی فراتر از گرانش
تیم تحقیقاتی گروهی از مدلهای نظری را بررسی کرد که در آنها ذرات ماده تاریک علاوه بر گرانش، از طریق یک نیروی برد بلند با یکدیگر تعامل دارند.
دانشمندان با استفاده از محاسبات نظری همراه با دادههای کیهانشناسی، بررسی کردند که چگونه این تعامل پنهان بر تاریخچه انبساط کیهانی و رشد ساختار در مقیاس بزرگ تأثیر میگذارد.
در ابتدا، نتیجه مورد انتظار ساده به نظر میرسد. اگر ذرات ماده تاریک از طریق نیروی دیگری یکدیگر را جذب کنند، باید سریعتر به هم بپیوندند. این تجمع قویتر ممکن است مشاهداتی را که نشان میدهد جهان حاوی ساختارهای متراکمتری از حد پیشبینی شده است، توضیح دهد.
واینر میگوید: "اولین چیزی که انتظار دارید این است که دادن یک نیروی جاذبه اضافی به ماده تاریک باید باعث رشد سریعتر ساختارها شود. اما اثر دیگری همزمان وارد عمل میشود."
اثری شگفتانگیز بر رشد کیهانی
در مدلهای بررسی شده توسط محققان، نیروی اضافی باعث میشود ماده تاریک به طور مؤثرتری تجمع یابد. با این حال، همچنین نحوه رفتار ماده تاریک را با انبساط جهان تغییر میدهد.
همین فرآیند باعث میشود ذرات ماده تاریک به مرور زمان به طور مؤثر جرم خود را از دست بدهند. این کاهش تأثیر گرانشی آنها را تضعیف میکند و جاذبه قویتر تولید شده توسط نیروی پنهان را خنثی میکند.
در نتیجه، تجمع تقویتشده اثر گرانشی قویتری بر پسزمینه مایکروویو کیهانی ایجاد نمیکند. در بیشتر موارد، اثر ترکیبی در واقع رشد ساختار کیهانی را سرکوب میکند.
پیامدها برای DESI و مدلهای انرژی تاریک
این یافتهها میتواند برای نظریههایی که فراتر از ماده تاریک هستند، مهم باشد. برخی توضیحات ارائه شده برای اندازهگیریهای اخیر از ابزار طیفسنجی انرژی تاریک (DESI) شامل تعاملات مشابهی در میان ذرات ماده تاریک است.
به گفته محققان، مکانیسم تازه شناسایی شده احتمالاً بر بسیاری از آن مدلهای پیچیدهتر نیز تأثیر میگذارد. هر نظریهای که شامل یک نیروی جاذبه پنهان باشد ممکن است نیاز به در نظر گرفتن این احتمال داشته باشد که ماده تاریک با تکامل جهان به طور مؤثر سبکتر میشود.
اندازهگیریهای دقیقتر از رصدخانهها و بررسیهای کیهانی آینده میتواند به دانشمندان کمک کند تا تعیین کنند ماده تاریک ممکن است چه تعاملات پنهانی داشته باشد و کدام احتمالات را مشاهدات میتوانند رد کنند.
واینر میگوید: "جهان اغلب از شهود ما ظریفتر است. به همین دلیل است که ما باید به آزمایش این ایدهها ادامه دهیم."