Ciemna materia nie tylko istnieje, ale zachowuje się zgodnie z zasadami grawitacji. Przynajmniej tak wynika z nowego badania, które po raz pierwszy przetestowało ten fakt w skali kosmologicznej.
Choć ciemna materia nie została nigdy bezpośrednio wykryta, jej obecność zdradzają ruchy galaktyk i zniekształcenia światła w przestrzeni kosmicznej. Fizycy od lat przyjmowali, iż ta tajemnicza substancja oddziałuje z resztą Wszechświata wyłącznie poprzez grawitację. Teraz naukowcom po raz pierwszy udało się to założenie bezpośrednio przetestować i je potwierdzić.
Zespół badawczy połączył dane z pomiarów prędkości galaktyk i deformacji czasoprzestrzeni wynikających z soczewkowania grawitacyjnego. Dzięki temu można było sprawdzić, czy ciemna materia rzeczywiście wpada w studnie grawitacyjne w ten sam sposób co zwykła materia. W badaniu najważniejsze było wykorzystanie tzw. potencjału Weyla, czyli pojęcia opisującego, jak grawitacja zakrzywia zarówno przestrzeń, jak i czas.
Kosmiczny test równań Eulera
Fizycy skupili się na tzw. równaniu Eulera-Lagrange’a, które opisuje ruch materii w polu grawitacyjnym. Dla zwykłej materii jego poprawność została już wielokrotnie potwierdzona, ale dla ciemnej materii nigdy. Autorzy pracy zestawili zmierzone prędkości galaktyk (które zdradzają, jak ciemna materia spada) z pomiarami potencjału grawitacyjnego. W każdej analizowanej epoce kosmicznej dane były zgodne z przewidywaniami ogólnej teorii względności.
Co istotne, badacze nie tylko potwierdzili poprawność równań, ale również wykluczyli istnienie tzw. piątej siły, czyli hipotetycznego oddziaływania, które miałoby działać na ciemną materię poza grawitacją. Jej siła, jeżeli w ogóle istnieje, musi być mniejsza niż 7 proc. w stosunku do grawitacji, a jeżeli miałaby działać odpychająco, nie może być większa niż 21 proc.
Przyszłe teleskopy pokażą jeszcze więcej
Nadchodzące przeglądy kosmosu, m.in. teleskop LSST (Vera Rubin Observatory) czy spektroskop DESI, mają umożliwić ograniczenie siły hipotetycznej piątej siły do zaledwie 2 proc. W praktyce oznacza to, iż jeżeli ciemna materia oddziałuje z czymkolwiek poza grawitacją, niedługo powinniśmy to wykryć.
Dzięki tym samym badaniom fizycy będą mogli określić, czy oddziaływania ciemnej materii zmieniają się w czasie lub w zależności od skali. To istotne pytania dla wszystkich modeli zakładających istnienie tzw. ciemnego sektora, czyli niewidzialnych cząstek i sił, które mogłyby wyjaśnić zagadkę przyspieszającej ekspansji Wszechświata.
Nie tylko teorie. Mamy konkretne dane
Dotychczasowe próby testowania natury ciemnej materii opierały się albo na próbach jej zderzania z cząstkami w laboratoriach, albo na modelach pośrednich – jak analiza rozmieszczenia galaktyk. Tym razem zastosowano podejście bez założeń, które łączy rzeczywiste dane o strukturze kosmosu z czystymi równaniami fizyki.
Zastosowana metodologia pozwala zatem nie tylko potwierdzić, iż ciemna materia podlega grawitacji, ale też to, iż robi to dokładnie tak samo jak materia znana z codzienności: atomy, planety, ludzie. To ważne, bo pokazuje, iż choć ciemna materia jest inna, nie musi pochodzić z magicznego świata. Może po prostu być subtelną częścią znanych nam praw fizyki.
*Źródło grafiki wprowadzającej: Triff / Shutterstock
