Pimeän aineen salainen vetovoima hidastaa rakenteiden kasvua

Kuvittele köydenveto, jossa köysi muuttuu kevyemmäksi sitä vedettäessä. Omituista, eikö? Tämä outo mielikuva auttaa hahmottamaan viimeaikaista käännettä kosmologiassa: pimeälle aineelle annettu salainen vetovoima ei välttämättä tee maailmankaikkeudesta tiheämpää. Itse asiassa monissa tapauksissa käy päinvastoin.

Fysiikot ovat pitkään käsitelleet pimeää ainetta haamumaisena aineena, joka muokkaa galakseja ja kosmista verkkoa pelkän gravitaation kautta. Entä jos pimeä aine myös kommunikoisi itsensä kanssa voiman välityksellä, jonka tavalliset atomit eivät koe? Tätä ajatusta on viime aikoina pohdittu kirjallisuudessa, koska jotkin tarkat havainnot universumista eivät täysin täsmää. Pienet erot kosmisen taustasäteilyn (universumin varhaiskuva) ja galaksien kasvukartoitusten välillä ovat saaneet teoreetikot pohtimaan, voisiko piilotettu vuorovaikutus olla kyseessä.

Perimeter-instituutin Zachary Weinerin johtama tutkijaryhmä tutki tätä mahdollisuutta artikkelissa, joka julkaistiin kosmologian ja astropartikkelifysiikan alan julkaisussa. He laativat malleja, joissa pimeän aineen hiukkaset kokevat gravitaation lisäksi ylimääräisen pitkäkantaisen vetovoiman, ja seurasivat kahta kytkeytynyttä vaikutusta: miten tuo lisäveto muuttaa universumin laajenemishistoriaa ja miten se vaikuttaa suurten rakenteiden muodostumiseen.

Ensivilkaisulta vastaus tuntuu ilmeiseltä. Lisäveto pitäisi kiihdyttää kokkaroitumista, eikö niin? Nopeampi kokkaroituminen tarkoittaisi tiheämpiä galakseja ja voimakkaampia merkkejä havainnoissa. Mutta maailmankaikkeus on usein yllättävän vivahteikas. Juuri se vuorovaikutus, joka vetää hiukkasia lähemmäs, muuttaa myös niiden tehokkaita ominaisuuksia universumin laajetessa. Tutkimuksessa tiimi havaitsi, että pimeän aineen hiukkaset menettävät tehokasta massaa ajan myötä.

Tuo massan menetys on merkityksellistä. Vähäisempi massa tarkoittaa heikompaa gravitaatiovaikutusta ympäröivään avaruusaikaan. Joten vaikka lisäpimeän sektorin voima kannustaa hiukkasia kokkaroitumaan paikallisesti, niiden hupeneva gravitaatiollinen vaikutus heikentää rakenteiden kasvun kokonaiskykyä. Nämä kaksi vaikutusta kilpailevat keskenään. Useimmissa skenaarioissa hiipuva massa voittaa.

Lisäveto voi siis johtaa kosmisten rakenteiden hitaampaan kasvuun, ei nopeampaan. Se on intuitiivisesti yllättävä tulos, mutta sillä on käytännön seurauksia: pimeää voimaa ei voi nostaa esiin kevyesti selittämään havaintojen jännitteitä jättämättä huomiotta sen vaikutusta hiukkasten massaan ja universumin laajenemiseen.

Miksi tämä on merkittävää nykyisille kosmologian pulmille? Kartoitukset kuten DESI ja yksityiskohtaiset kartat kosmisesta taustasäteilystä antavat yhä tarkempia otoksia laajenemisesta ja kokkaroitumisesta eri ajanjaksoina. Jotkin analyysit vihjaavat, että universumi on laajentunut menneisyydessä hieman eri tavalla kuin Lambda-CDM -malli ennustaa, tai että aine voisi olla voimakkaammin kokkaroitunutta laajimmilla asteikoilla. Nämä ristiriidat ovat maltillisia, mutta tarpeeksi pysyviä motivoimaan uutta fysiikkaa.

Weinerin tiimin työ osoittaa, ettei tietyntyyppinen pimeän aineen vuorovaikutus yksinkertaisesti säädä kokkaroitumista havaitsijoiden toivomaan suuntaan. Monet pimeän voiman laajennukset—mallit, joita on ehdotettu datan sovittamiseksi—tuovat luultavasti mukanaan saman kompromissin vahvemman keskinäisen vetovoiman ja laskevan tehokkaan massan välillä. Mikä tahansa elinkelpoinen teoria joutuu ottamaan molemmat vaikutukset huomioon.

Mitä seuraavaksi tapahtuu, on datavetoista vuoropuhelua. Uudet ja tulevat kartoitukset, parantuneet mittaukset kosmisesta taustasäteilystä ja täsmällisemmät tutkinnat galaksien kasvusta kaventavat sallitun vuorovaikutusten aluetta. Teoreetikot joutuvat sovittamaan nämä havaintorajoitteet monimutkaisempiin malleihin nähdäkseen, voiko mikään piilotettu voima sopia kaikkiin kosmologisiin faktoihin.

Tämä muistuttaa siitä, että kosminen intuitio voi pettää. Universumi usein kätkee sääntönsä yhdistämällä yksinkertaisia ideoita odottamattomilla tavoilla. Kysy toisenlainen kysymys, ja vastaus muuttuu; anna pimeälle aineelle uusi kädenpuristus, ja koko kosminen tanssi siirtyy.