Мы неправильно рассчитывали Вселенную: физики нашли признаки взаимодействия между темной материей и нейтрино

Физика работает по принципу детерминизма: если известны начальные условия системы и законы ее эволюции, можно предсказать ее состояние в любой момент будущего. Только вот в космологии этот принцип почему-то не работает. У ученых есть сверхточная карта ранней Вселенной, и если экстраполировать ее данные на 13 миллиардов лет вперед, используя уравнения Эйнштейна, мы должны увидеть космос с четкой, плотной паутиной галактических скоплений.

Однако реальные наблюдения показывают другое: современная Вселенная выглядит более размытой и однородной, чем диктует теория. Это несоответствие, получившее название «напряжение S8», стало одной из аномалий современной астрофизики. Группа исследователей предложила решение, опубликованное в Nature Astronomy: расчеты сходятся, если допустить, что темная материя и нейтрино взаимодействуют между собой.

Анатомия космологического кризиса

Сначала нужно оговорить, как космологи измеряют свойства Вселенной. Существует два основных способа проверить верность наших теорий, и они относятся к диаметрально противоположным эпохам.

Первый способ — анализ реликтового излучения. Это древнейший свет, возникший, когда Вселенной было всего 380 000 лет. Данные, полученные спутником Planck, дают нам точный слепок ранней Вселенной. Используя этот слепок и стандартную космологическую модель (Lambda-CDM), ученые рассчитывают эволюцию материи и предсказывают структуру космоса сегодня. Основным параметром здесь является S8 — величина, характеризующая амплитуду колебания плотности материи. Чем выше S8, тем более структурированной, комковатой является Вселенная.

Второй способ — прямое наблюдение современной Вселенной (эпоха красных смещений z < 3). Для этого используется метод слабого гравитационного линзирования. Масса (преимущественно темная материя) искривляет пространство-время, и свет от далеких галактик, проходя через эти искривления, слегка искажается. Анализируя миллионы таких искажений, проекты вроде Dark Energy Survey (DES) строят карту распределения материи.

Проблема заключается в том, что эти два метода перестали сходиться. Прямые измерения показывают, что современная Вселенная менее структурирована (значение S8 ниже), чем предсказывает экстраполяция данных спутника Planck. Это расхождение составляет от 2 до 3 стандартных отклонений (сигма). Для физики это сигнал, который означает, что-либо мы систематически ошибаемся в измерениях, либо механизм роста космических структур работает иначе, чем предполагает стандартная модель.

Новая физика темного сектора

В рамках стандартной модели темная материя считается «холодной» (отсюда и CDM — Cold Dark Matter). Термин «холодная» означает, что частицы движутся медленно и взаимодействуют между собой и с обычной материей исключительно через гравитацию. Нейтрино — сверхлегкие частицы, пронизывающие пространство, — также считаются в этой модели практически независимыми агентами.

Авторы новой работы выдвинули гипотезу, которая дополнит это представление. Они рассмотрели сценарий, в котором между частицами темной материи и нейтрино существует упругое рассеяние.

В ранней Вселенной плотность нейтрино была очень высокой, а их скорости — близкими к скорости света. Если допустить наличие даже слабого сечения взаимодействия между ними и темной материей, возникает эффект обмена импульсом. Поток высокоэнергетических нейтрино, сталкиваясь с частицами темной материи, передает им часть своей кинетической энергии.

Этот процесс оказывает прямое влияние на формирование крупномасштабной структуры. Гравитация стремится собрать темную материю в плотные гало, которые затем станут центрами формирования галактик. Однако рассеяние нейтрино противодействует этому процессу на малых масштабах. Оно вымывает микроскопические колебания плотности, замедляя гравитационный коллапс. В физике этот процесс называется «диффузионным затуханием».

Результатом такого взаимодействия становится подавление спектра мощности материи. Проще говоря, структуры во Вселенной растут медленнее, и к настоящему времени материя оказывается распределена более равномерно, чем в сценарии без взаимодействия. Это именно тот эффект, который необходим для объяснения низкого значения параметра S8.

Доказательная база: объединение данных

Теоретическая возможность такого взаимодействия обсуждалась и ранее, но новизна данной работы заключается в строгости подхода и объеме использованных данных. Исследователи объединили три независимых массива наблюдений:

1. Данные спутника Planck (глобальная структура ранней Вселенной).
2. Данные телескопа ACT (Atacama Cosmology Telescope). Это критически важный элемент анализа. ACT измеряет реликтовое излучение с гораздо более высоким угловым разрешением, чем Planck, что позволяет видеть эффекты на малых масштабах, где влияние взаимодействия нейтрино и темной материи наиболее заметно.
3. Данные обзора DES Y3 (Dark Energy Survey). Это наиболее полная на сегодняшний день карта распределения материи в поздней Вселенной, полученная методом гравитационного линзирования.

Для корректного анализа авторы использовали не только линейную теорию возмущений, но и сложное компьютерное моделирование (N-body simulations), позволяющее учесть нелинейные эффекты гравитации на малых масштабах. Было создано специальное программное обеспечение (эмулятор), обученное на сотнях симуляций с различными параметрами взаимодействия.

Результаты статистического анализа показали следующее:

• Стандартная модель (Lambda-CDM) без взаимодействий плохо описывает совокупность данных ACT и DES.
• Модель с взаимодействием нейтрино и темной материи устраняет противоречие.
• Оптимальная сила взаимодействия (параметр u) составляет около 10^-4.
• Статистическая значимость предпочтения этой модели достигает уровня 3 сигма. В физике это считается «свидетельством», хотя еще не «открытием» (которое требует 5 сигма), но это один из самых сильных сигналов новой физики в космологии за последние годы.

Почему это важно для фундаментальной науки?

Если выводы подтвердятся, это будет означать пересмотр свойств темной материи. Из полностью невидимой и пассивной субстанции она превратится в участника активных физических процессов. Это накладывает жесткие ограничения на то, какими могут быть частицы темной материи и нейтрино.

В частности, работа показывает, что взаимодействие нейтрино и темной материи способно решить проблему S8 без нарушения других строгих ограничений, накладываемых данными по реликтовому излучению. Более того, анализ данных телескопа ACT независимо указывает на наличие такого взаимодействия, что усиливает аргументацию: один и тот же физический механизм объясняет аномалии в совершенно разных наборах данных (реликтовое излучение и гравитационное линзирование).

Также важно отметить, что это решение является более простым по сравнению с альтернативами, такими как модели «теплой» темной материи или распадающейся темной материи. В отличие от них, гипотеза взаимодействия с нейтрино позволяет гибко настраивать подавление структуры на нужных масштабах, не вступая в конфликт с наблюдениями карликовых галактик и леса Лайман-альфа (спектральные линии поглощения в свете квазаров).

Будущее верификации

Авторы статьи подчеркивают, что текущих данных достаточно для серьезной заявки, но недостаточно для окончательного вердикта. Однако ждать осталось недолго. В ближайшие годы начнут работу инструменты нового поколения, которые смогут подтвердить или опровергнуть эту теорию с высочайшей точностью.

Речь идет прежде всего об Обсерватории имени Веры Рубин (LSST) и китайском космическом телескопе CSST. Обсерватория Веры Рубин будет проводить глубокий обзор неба, который увеличит статистику по слабому линзированию на порядки.

Исследователи провели прогнозирование для этих будущих миссий. Согласно их расчетам, точность LSST и CSST позволит сузить доверительные интервалы настолько, что гипотеза о взаимодействии нейтрино и темной материи будет либо однозначно подтверждена (преодолев порог 5 сигма), либо полностью исключена.

Так что, мы стоим на пороге потенциального открытия пятого фундаментального взаимодействия (или новой формы существующего), которое связывает два самых неуловимых компонента мироздания. Разрешение напряжения S8 может стать ключом к пониманию микрофизической природы темного сектора Вселенной.

Источник: Nature Astronomy