Прискорене розширення Всесвіту пояснили самозабезпеченням темної матерії

Фізики за допомогою симуляцій протестували альтернативну модель прискореного розширення Всесвіту - відмовилися від космологічної постійної і постулювали існування сил відштовхування між частинками темної матерії, які діють на масштабах порядку мегапарсеків і за величиною пропорційні квадрату дисперсії швидкостей. Виявилося, що такий підхід дозволяє відтворити поведінку Всесвіту в загальноприйнятій моделі з космологічної постійної. Стаття опублікована в.

Сучасні астрофізичні спостереження показують, що всесвіт розширюється прискорено - тобто віддалені галактики з часом розлітаються все швидше. Цей факт вимагає фізичної інтерпретації, адже гравітація - взаємодія, яка вважається домінуючою на великих масштабах, - лише притягує об'єкти один до одного. У стандартній космологічній моделі прискорене розширення описують за допомогою космологічної постійної - величини, яка описує щільність енергії чистого вакууму (темної енергії) в рівняннях Загальної теорії відносності і забезпечує відштовхування між далекими об'єктами.

Такий підхід зручний, оскільки дозволяє пояснювати спостереження, постулюючи в моделі всього один числовий параметр, однак у нього є і істотні недоліки. Так, космологічну постійну доводиться підбирати на основі самих же спостережень і не вдається вирахувати незалежно - наприклад, в рамках квантових уявлень енергія вакууму виявляється на безліч порядків вище, або взагалі не може бути передбачена.

Це мотивує вчених вигадувати альтернативні моделі, які пояснювали б прискорене розширення Всесвіту, але не залучали для цього космологічної постійної. Деякі фізики пропонують модифікувати теорію гравітації, інші - припустити, що розширення Всесвіту неоднорідне, а ми просто опинилися в області, яка розширюється швидше середнього, треті - відмовитися від прискореного розширення як такого і шукати помилку у вимірах, які про нього свідчать. Проте модель з космологічної постійної поки залишається кращою.

Фізики з Інституту Нільса Бора під керівництвом Стіна Хансена (Steen Hansen) запропонували і проаналізували ще одне пояснення прискореному розширенню Всесвіту. Автори припустили, що темна матерія, крім гравітаційного тяжіння один до одного і звичайних частинок, відчуває ще й силу самовідштовхування, яка проявляється на міжгалактичних масштабах (порядку мегапарсеків).

Цю силу дослідники поклали пропорційній квадрату дисперсії швидкостей частинок в галактиках (що робить її в деякому сенсі схожою на магнітну силу Лоренца між рухомими зарядженими частинками) і назад пропорційною квадрату відстані між розлітаються галактиками (подібно гравітаційній або кулонівській силі). Інші параметри (крім космологічної постійної, прийнятої рівною нулю) фізики запозичили із загальноприйнятої моделі.

Потім автори проводили комп'ютерні симуляції еволюції розподілу темної матері в області розміром в 96 мегапарсеків, заповненої 2,1 плечей 10⁶ частинками масами в 1,6 10⁹ сонячних, між червоними зміщеннями в z = 20 і z = 0,6 (у стандартній космології останнє відповідає масштабу, на якому відбувається перехід від гравітаційного уповільнення до космологічного прискорення). При цьому числовий коефіцієнт, що характеризує величину відштовхування між частинками, дослідники підбирали так, щоб результати симуляції найкращим чином описувалися теорією за участю космологічної постійної.

Виявилося, що за допомогою альтернативної моделі можна відтворювати прогнози, які дає стандартна космологія - а значить, ймовірно, і пояснювати дані спостережень. При цьому, однак, не вдається замінити пропорційність сили квадрату дисперсії швидкостей на лінійний або кубічний закон - обидва випадки дають істотну розбіжність із загальноприйнятою теорією.

Відзначається, що для серйозного порівняння альтернативної теорії зі стандартною потрібно не просто «підганяти» параметри нової моделі під стару, а, навпаки, шукати і перевіряти відмінності в їх прогнозах - на поточний момент, за словами авторів, дані великомасштабних спостережень практично не віддають переваги жодній з них, і потрібні більш детальні дослідження.

Крім того, постулювання самовідштовхування темної матерії може стати проблемою на менших масштабах - наприклад, в галактиках або галактичних кластерах: якщо відштовхування буде сильніше гравітаційного тяжіння, то альтернативна модель не зможе описати існування таких структур.

Останнім часом ми розповідали і про інші альтернативні космологічні моделі. Так, у 2018 році британський фізик запропонував замінити темну матерію і темну енергію негативною масою, а в 2019 вчені встановили, що хамелеонна гравітація нарівні з ОТГ описує формування галактик.