چرا نیروی پنهان ماده تاریک رشد ساختار کیهان را کند می کند

طناب‌کشی را تصور کنید که هرچه بیشتر می‌کشید، طناب سبک‌تر می‌شود. عجیب است، نه؟ همین تصویر نامعمول به درک چرخشی تازه در کیهان‌شناسی کمک می‌کند: افزودن یک نیروی جاذبه پنهان به ماده تاریک، لزوما کیهان را توده‌ای‌تر و خوشه‌ای‌تر نمی‌کند. در واقع، در بسیاری از حالت‌ها نتیجه درست برعکس است.

فیزیک‌دانان مدت‌ها ماده تاریک را ماده‌ای شبح‌وار می‌دانستند که شکل‌گیری کهکشان‌ها و تارهای کیهانی را فقط از راه گرانش هدایت می‌کند. اما اگر ماده تاریک بتواند از طریق نیرویی که برای اتم‌های معمولی نامرئی است، با خودش برهم‌کنش داشته باشد چه؟ این ایده سال‌هاست در پژوهش‌های علمی مطرح است، زیرا برخی اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق از جهان، کاملا با یکدیگر سازگار نیستند. اختلاف‌های کوچک میان تابش زمینه کیهانی، یعنی تصویر نوزادی جهان، و پیمایش‌های رشد کهکشان‌ها باعث شده نظریه‌پردازان بپرسند آیا یک برهم‌کنش پنهان در کار است یا نه.

پژوهشگرانی به سرپرستی زکری واینر در مؤسسه پریمیتر، این احتمال را در مطالعه‌ای که در نشریه کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات اخترشناختی منتشر شد بررسی کردند. آن‌ها مدل‌هایی ساختند که در آن ذرات ماده تاریک افزون بر گرانش، یک جاذبه دوربرد اضافی را نیز تجربه می‌کنند. سپس دو موضوع به‌هم‌پیوسته را دنبال کردند: این کشش اضافی چگونه تاریخ انبساط جهان را تغییر می‌دهد و چگونه بر شکل‌گیری ساختارهای بزرگ‌مقیاس کیهان اثر می‌گذارد.

در نگاه نخست، پاسخ بدیهی به نظر می‌رسد. جاذبه بیشتر باید خوشه‌بندی را شتاب دهد، درست است؟ خوشه‌بندی سریع‌تر یعنی کهکشان‌های چگال‌تر و نشانه‌های قوی‌تر در پیمایش‌های کیهانی. اما کیهان می‌تواند به شکل غیرمنتظره‌ای ظریف و پیچیده رفتار کند. همان برهم‌کنشی که ذرات را به یکدیگر نزدیک‌تر می‌کشد، هم‌زمان با انبساط جهان، ویژگی‌های مؤثر آن‌ها را نیز تغییر می‌دهد. در مدل‌هایی که این گروه بررسی کردند، ذرات ماده تاریک با گذشت زمان جرم مؤثر خود را از دست می‌دهند.

این کاهش جرم اهمیت زیادی دارد. جرم کمتر به معنای اثر گرانشی ضعیف‌تر بر فضازمان پیرامون است. بنابراین، هرچند یک نیروی اضافی در بخش تاریک ذرات را به توده‌شدن محلی تشویق می‌کند، کاهش وزن گرانشی آن‌ها توان کلی ساختارها برای رشد را کم می‌کند. این دو اثر با هم رقابت دارند. در بیشتر سناریوها، کاهش تدریجی جرم برنده می‌شود.

بنابراین جاذبه اضافی می‌تواند به رشد کندتر ساختار کیهانی منجر شود، نه رشد سریع‌تر. این نتیجه خلاف شهود است، اما پیامدهای عملی مهمی دارد: نمی‌توان برای توضیح تنش‌های رصدی، به‌سادگی از یک نیروی تاریک سخن گفت بی‌آنکه اثر آن بر جرم ذرات و انبساط کیهان در نظر گرفته شود.

چرا این موضوع برای معماهای امروز کیهان‌شناسی مهم است؟ پیمایش‌هایی مانند ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک و نقشه‌های دقیق تابش زمینه کیهانی، تصویرهای روزبه‌روز دقیق‌تری از انبساط و خوشه‌بندی ماده در طول زمان ارائه می‌دهند. برخی تحلیل‌ها نشان می‌دهند که جهان در گذشته شاید اندکی متفاوت از پیش‌بینی مدل استاندارد لامبدا سی‌دی‌ام منبسط شده باشد، یا ماده در بزرگ‌ترین مقیاس‌ها خوشه‌بندی قوی‌تری داشته باشد. این ناسازگاری‌ها بزرگ نیستند، اما آن‌قدر پایدارند که انگیزه‌ای جدی برای جست‌وجوی فیزیک جدید ایجاد کنند.

کار گروه واینر نشان می‌دهد برخی رده‌های برهم‌کنش ماده تاریک، خوشه‌بندی را به‌سادگی در همان جهتی که ناظران امید دارند تنظیم نمی‌کنند. بسیاری از گسترش‌های ایده نیروی تاریک، یعنی مدل‌هایی که برای آشتی‌دادن داده‌ها پیشنهاد شده‌اند، احتمالا همان بده‌بستان میان کشش متقابل قوی‌تر و کاهش جرم مؤثر را به همراه دارند. هر نظریه قابل قبول باید هر دو اثر را هم‌زمان مدیریت کند.

گام بعدی، رفت‌وبرگشتی مبتنی بر داده است. پیمایش‌های تازه و آینده، اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر تابش زمینه کیهانی و ابزارهای بهبودیافته برای بررسی رشد کهکشان‌ها، فضای برهم‌کنش‌های مجاز را محدودتر خواهند کرد. نظریه‌پردازان باید این محدودیت‌های رصدی را در مدل‌های پیچیده‌تر وارد کنند تا روشن شود آیا هیچ نیروی پنهانی می‌تواند با مجموعه کامل واقعیت‌های کیهان‌شناختی سازگار شود یا نه.

این یافته یادآوری می‌کند که شهود کیهانی ممکن است ما را گمراه کند. جهان اغلب قوانین خود را با پیوند دادن ایده‌های ساده به شیوه‌هایی غیرمنتظره پنهان می‌کند. پرسش را عوض کنید، پاسخ هم تغییر می‌کند؛ به ماده تاریک شیوه‌ای تازه برای برهم‌کنش بدهید، کل رقص کیهانی دگرگون می‌شود.