暗物質通常被描述為一種僅對重力有反應的不可見物質。但科學家們現在正在探索一種更複雜的可能性：暗物質粒子也可能透過一種自身隱藏的力量進行交互作用。
發表在《宇宙學與粒子天體物理學期刊》（JCAP）上的一項新研究，檢視了如果暗物質承受額外的吸引力會發生什麼事。結果出乎意料地違反直覺。儘管這種力量能讓暗物質更有效地聚集，但它通常不會加速宇宙結構的成長。相反地，它傾向於減緩這種成長。
科學家為何考慮一種「暗力量」
隨著對宇宙進行的高精度觀測產生與標準模型不完全一致的結果，人們對一種可能的「暗力量」的興趣日益增加。
宇宙膨脹以及星系和其他大型結構發展的測量結果，有時似乎講述著略有不同的故事。一些對遙遠宇宙的觀測表明，過去的膨脹速度可能比標準宇宙學模型預測的要慢一些。
同時，對宇宙微波背景的研究長期以來一直表明，物質在宇宙最大尺度上的聚集程度可能比預期的要緊密。
這些差異相對較小，但它們促使科學家們思考，標準宇宙學模型是否遺漏了一個重要的組成部分。
一種可能性是，暗物質粒子感受到一種普通物質無法探測到的額外力量。由於這種交互作用僅在暗物質領域內運作，研究人員稱之為「暗力量」。這種交互作用可能同時影響宇宙的膨脹以及星系和更大宇宙結構的形成。
該研究的通訊作者、理論物理研究所的研究員 Zachary Weiner 表示：「到目前為止，我們真正了解的關於暗物質的知識，僅僅是透過其重力效應學到的。這為暗物質可能擁有對普通物質隱藏的額外交互作用留下了可能性。」
研究團隊調查了一組理論模型，其中暗物質粒子除了重力外，還透過一種長程力進行交互作用。
科學家們結合理論計算和宇宙學數據，研究了這種隱藏的交互作用將如何影響宇宙膨脹的歷史和大型結構的成長。
起初，預期的結果似乎很直接。如果暗物質粒子透過另一種力量相互吸引，它們應該會更快地聚集形成團塊。這種更強的聚集也可能解釋那些表明宇宙包含比預期更密集結構的觀測。
Weiner 說：「你會首先預期，給予暗物質額外的吸引力應該會使結構成長得更快。但同時也有另一個效應在起作用。」
對宇宙成長的意外影響
在研究人員檢視的模型中，額外的力量確實使暗物質更有效地聚集。然而，它也改變了暗物質在宇宙膨脹時的行為。
這個過程導致暗物質粒子隨著時間的推移有效地失去質量。這種質量的減少削弱了它們的重力影響，抵消了隱藏力量產生的更強吸引力。
結果是，增強的聚集並沒有在宇宙微波背景上產生更強的重力印記。在大多數情況下，這種結合效應實際上抑制了宇宙結構的成長。
對 DESI 和暗能量模型的啟示
這些發現可能對超越單純暗物質的理論很重要。暗能量光譜儀望遠鏡（DESI）近期測量結果的一些解釋，就涉及暗物質粒子之間的類似交互作用。
根據研究人員的說法，新識別出的機制很可能會影響其中許多更複雜的模型。任何涉及隱藏吸引力的理論，都可能需要考慮暗物質隨著宇宙演化而變得有效質量變輕的可能性。
來自即將到來的天文台和宇宙調查的更精確測量，將有助於科學家確定暗物質可能擁有何種隱藏交互作用，以及哪些可能性可以被觀測排除。
Weiner 表示：「宇宙的運作往往比我們的直覺更微妙。這正是我們必須不斷檢驗這些想法的原因。」