Согласно теории всемирного тяготения сэра Исаака Ньютона, гравитация — это удалённое взаимодействие, при котором один объект ощущает влияние другого независимо от расстояния между ними. Это понятие стало главной особенностью классической ньютоновской физики, которая оставалась общепринятым каноном на протяжении более двухсот лет. В XX веке Эйнштейн начал переосмысливать гравитацию с помощью своей общей теории относительности, в которой гравитация изменяет кривизну локального пространства-времени. Из этого мы получаем принцип локальности, который гласит, что на объект непосредственно влияет его окружение, а удалённые объекты не могут мгновенно взаимодействовать друг с другом.

Однако рождение квантовой механики породило ещё один принцип: физики обнаружили, что нелокальные явления не только существуют, но и фундаментальны для реальности, какой мы её знаем. К ним относится квантовая запутанность, когда в зависимости от свойств одной частицы мгновенно и независимо от расстояния между частицами меняются свойства другой. В новом исследовании Международной школы передовых исследований (SISSA) в Триесте, Италия, группа исследователей предполагает, что тёмная материя может взаимодействовать с гравитацией нелокальным образом.

Группу возглавили Франческо Бенетти и Джованни Гандольфи, два докторанта из группы астрофизики и космологии SISSA. К ним присоединились исследователи из Института фундаментальной физики Вселенной (IFPU), Национального института ядерной физики (INFN) и Института радиоастрономии Национального института астрофизики (IRA-INAF). Их работа «Тёмная материя в дробной гравитации. I. Астрофизические тесты в галактических масштабах» (первая из серии, посвящённой взаимодействию тёмной материи), появилась в журнале The Astronomical Journal.

Изображение KK 246 (ESO 461-036), карликовой неправильной галактики, обитающей в Местной пустоте, полученное с помощью широкоугольной камеры Хаббла 3 (WFC3) и усовершенствованной камеры для наблюдений (ACS).

Согласно наиболее распространённой теории космологии, тёмная материя — это таинственная масса, составляющая около 85% вещества во Вселенной. Эта материя не взаимодействует с барионной материей (нормальной или «видимой» материей) ни через электромагнетизм, ни через сильное или слабое взаимодействия. Их объединяет только гравитация (самое слабое из фундаментальных взаимодействий). Тёмная материя появилась вскоре после Большого взрыва, и благодаря в том числе ей нейтральный водород собрался в сгустки, что привело к рождению первых звёзд во Вселенной, которые гравитационно объединились и породили первые галактики [а может и наоборот, сгустки материи изначально сформировали космическую сеть, частицы которой постепенно сгущались в зародыши галактик, в которых потом начали зажигаться звёзды / прим. перев.].

В теории тёмная материя — фундаментальный компонент природы, ответственный за формирование космических структур: от галактик до скоплений галактик. Он также отвечает за вращательные кривые галактик — движение звёзды в диске галактики вокруг общего центра. Её существование также необходимо для того, чтобы общая теория относительности, уже многократно проверенная наблюдениями и экспериментами, работала на самых больших масштабах Вселенной. Однако природа тёмной материи остаётся загадкой с точки зрения её состава (WIMPs или аксионы?) и того, как она взаимодействует с меньшими галактиками.

По словам авторов, их исследование предлагает новую модель нелокального взаимодействия между тёмной материей галактики и гравитацией, которая может дать новый взгляд на все ещё загадочную природу этой невидимой массы. Как сказал Эйнштейн, описывая в двух словах общую относительность: «Материя говорит пространству, как искривляться, а искривлённое пространство говорит материи, как двигаться». Как Бенетти описал теорию своей команды в электронном письме: «Во внутренних частях небольших галактик тёмная материя ведёт себя как нелокальный объект, взаимодействующий со всеми другими массами во Вселенной».

Это противоречит распространённому мнению, что тёмная материя «холодная», то есть состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMPs). Эти частицы движутся медленно относительно скорости света и взаимодействуют с обычной материей слабо и локально. Как отметил Бенетти:

«Хотя наиболее используемая модель тёмной материи (так называемая холодная тёмная материя, CDM) даёт предсказания, которые хорошо подтверждаются экспериментальными данными в космологическом масштабе, она страдает от проблем внутри галактик, особенно в ядрах самых маленьких из них. Наша модель способна преодолеть эти проблемы, предлагая нелокальное взаимодействие между тёмной материей внутри галактик».

Сверхглубокое поле Хаббла (XDF) объединяет наблюдения Хаббла, сделанные за последнее десятилетие, за небольшим участком неба в созвездии Печь

Для моделирования своей теории нелокальности тёмной материи команда использовала дробное исчисление — отрасль математического анализа, впервые разработанную в 17 веке. В последние годы дробное исчисление нашло применение в различных областях физики, но никогда ранее не испытывалось в астрофизике. При использовании для описания тёмной материи в замкнутой системе (малоразмерные галактики) эта нелокальность проявляется как коллективное поведение частиц. Бенетти и его коллеги применили свою теорию к кривым вращения тысяч различных типов галактик: от небольших карликовых с преобладанием тёмной материи до крупных спиральных.

Результаты показали, что их теория может предсказать скорость вращения галактик (особенно маленьких) лучше, чем CDM в ньютоновской гравитации, что они подтвердили, используя байесовский статистический анализ. Бенетти сказал:

«В частности, теория правильно предсказывает многие законы масштабирования, наблюдаемые в галактических средах (зависимость радиального ускорения, плотность поверхности ядра от радиуса ядра, радиус ядра от длины диска), и что плотность тёмной материи должна быть меньшей в центре карликовых галактик по сравнению с плотностью, предсказанной моделью холодной тёмной материи в ньютоновской гравитации. Это подтверждается наблюдениями и представляет собой одну из самых больших проблем в моделях холодной тёмной материи в ньютоновской гравитации».

В частности, теория, предложенная Бенетти и его коллегами, может дать ключ к разгадке того, что известно как «проблема каспов» (или «проблема сингулярного гало»). Речь идёт о несоответствии между предполагаемыми профилями плотности тёмной материи галактик малой массы и профилями плотности, предсказанными космологическим моделированием. Было предложено несколько возможных решений этой проблемы, включая возможные механизмы обратной связи с альтернативными теориями тёмной материи (включая возможность того, что она может быть «тёплой»).

Теория нелокальности, предложенная Бенетти и его командой, даёт потенциально революционное решение в рамках CDM и может иметь значительные последствия для космологии. «Более того, если механизм, с помощью которого тёмная материя развивает нелокальное поведение в этих системах, является следствием квантовой природы, то это будет представлять собой пример квантовой системы в макроскопических, галактических масштабах, что само по себе очень интересное явление», — добавил Бенетти. «Примечательно, что другие модели тёмной материи квантовой природы уже известны сообществу, но ни одна из них не вводит нелокальное взаимодействие через дробную производную».

Это исследование — часть набирающих ход усилий по определению природы тёмной материи и тёмной энергии, двух величайших загадок, стоящих сегодня перед астрономами и космологами. Этим усилиям значительно помогут телескопы нового поколения, такие как миссия ЕКА «Евклид» (запуск которой состоялся совсем недавно) и Римский космический телескоп Нэнси Грейс (RST), запуск которого запланирован на 2027 год.