|
Темная материя прокладывает путь новой теории гравитации
|
|
|
|
Мы можем довольно точно моделировать движения планет в Солнечной системе, используя законы физики Ньютона. Но в начале 1970-х ученые заметили, что это не работает для дисковых галактик — звезды на их внешних краях, далекие от гравитационной силы всей материи в их центре — движутся намного быстрее, чем предсказывала теория Ньютона. Это заставило физиков предположить, что невидимая субстанция, называемая «темной материей», обеспечивает дополнительное гравитационное притяжение, заставляющее звезды ускоряться — теория, которая стала чрезвычайно популярной. Однако в недавнем обзоре мы с коллегами предположили, что наблюдения в широком диапазоне масштабов гораздо лучше объясняются альтернативной теорией гравитации, предложенной израильским физиком Мордехаем Милгромом в 1982 году и называемой динамикой Милгрома или Монда, которая не требует наличия невидимой материи.
|
|
|
|
Главный постулат Монда состоит в том, что когда гравитация становится очень слабой, как это происходит на краю галактик, она начинает вести себя иначе, чем в ньютоновской физике. Таким образом, можно объяснить, почему звезды, планеты и газ на окраинах более 150 галактик вращаются быстрее, чем ожидалось, основываясь только на их видимой массе. Но Монд не просто объясняет такие кривые вращения, во многих случаях он их предсказывает. Философы науки утверждают, что эта сила предсказания делает Монда выше стандартной космологической модели, которая предполагает, что во Вселенной больше темной материи, чем видимой материи. Это связано с тем, что, согласно этой модели, количество темной материи в галактиках весьма неопределенно и зависит от деталей формирования галактики, которые мы не всегда знаем. Это делает невозможным предсказать, как быстро должны вращаться галактики. Но такие прогнозы регулярно делаются с Мондом, и пока они подтверждаются.
|
|
|
Представьте, что мы знаем распределение видимой массы в галактике, но еще не знаем скорость ее вращения. В стандартной космологической модели можно было бы только с некоторой уверенностью сказать, что скорость вращения будет между 100 и 300 км/с на окраинах. Монд делает более определенный прогноз, что скорость вращения должна быть в диапазоне 180–190 км/с. Если позже наблюдения выявят скорость вращения 188 км/с, то это согласуется с обеими теориями, но очевидно, что предпочтение отдается Монду. Это современная версия бритвы Оккама — самое простое решение предпочтительнее более сложного, в данном случае мы должны объяснять наблюдения как можно меньшим числом «свободных параметров». Свободные параметры — это константы — определенные числа, которые мы должны подставить в уравнения, чтобы они работали. Но они не даны самой теорией — нет причин, по которым они должны иметь какую-то особую ценность, — поэтому мы должны измерять их наблюдательно. Примером может служить гравитационная постоянная G в теории гравитации Ньютона или количество темной материи в галактиках в рамках стандартной космологической модели.
|
|
|
|
Мы ввели понятие, известное как «теоретическая гибкость», чтобы уловить основную идею бритвы Оккама о том, что теория с большим количеством свободных параметров согласуется с более широким диапазоном данных, что делает ее более сложной. В нашем обзоре мы использовали эту концепцию при проверке стандартной космологической модели и Монда на различных астрономических наблюдениях, таких как вращение галактик и движения внутри скоплений галактик. Каждый раз мы давали теоретическую оценку гибкости от –2 до +2. Оценка –2 указывает на то, что модель делает четкий и точный прогноз без просмотра данных. И наоборот, +2 означает, что «все допустимо» — теоретики могли бы подобрать почти любой правдоподобный результат наблюдений (потому что существует так много свободных параметров). Мы также оценили, насколько хорошо каждая модель соответствует наблюдениям: +2 указывает на отличное согласие, а –2 зарезервировано для наблюдений, которые ясно показывают, что теория ошибочна. Затем мы вычитаем теоретическую оценку гибкости из оценки согласованности с наблюдениями, поскольку хорошее сопоставление данных — это хорошо, а способность подогнать что угодно — плохо.
|
|
|
|
Хорошая теория должна делать четкие прогнозы, которые впоследствии подтверждаются, в идеале получая совокупный балл +4 во многих различных тестах (+2 - (-2) = +4). Плохая теория получит оценку от 0 до -4 (-2 - (+2) = -4). В этом случае точные предсказания не сработают — они вряд ли сработают с неправильной физикой. Мы нашли средний балл для стандартной космологической модели -0,25 по 32 тестам, в то время как Монд набрал в среднем +1,69 по 29 тестам. Баллы для каждой теории во многих различных тестах показаны на рисунках 1 и 2 ниже для стандартной космологической модели и модели Монда соответственно. Сразу видно, что для Монда не было выявлено серьезных проблем, что, по крайней мере, правдоподобно согласуется со всеми данными. Одна из самых поразительных ошибок стандартной космологической модели связана с «галактическими перемычками» — яркими стержнеобразными областями, состоящими из звезд, — которые спиральные галактики часто имеют в своих центральных областях. Бары вращаются с течением времени. Если бы галактики были окружены массивными ореолами темной материи, их перемычки замедлились бы. Однако большинство, если не все, наблюдаемые полосы галактик быстрые. Это очень достоверно опровергает стандартную космологическую модель.
|
|
|
|
Другая проблема заключается в том, что первоначальные модели, которые предполагали, что галактики имеют гало из темной материи, совершили большую ошибку — они предполагали, что частицы темной материи обеспечивают гравитацию материи вокруг нее, но не подвержены гравитационному притяжению обычной материи. Это упростило расчеты, но не отражает реальности. Когда это было принято во внимание в последующих симуляциях, стало ясно, что ореолы темной материи вокруг галактик не могут достоверно объяснить их свойства. Есть много других недостатков стандартной космологической модели, которые мы исследовали в нашем обзоре, и Монд часто мог естественным образом объяснить наблюдения. Причина, по которой стандартная космологическая модель, тем не менее, так популярна, может быть связана с вычислительными ошибками или ограниченными знаниями о ее недостатках, некоторые из которых были обнаружены совсем недавно. Это также может быть связано с нежеланием людей корректировать теорию гравитации, которая оказалась столь успешной во многих других областях физики. Огромный отрыв Монда от стандартной космологической модели в нашем исследовании привел нас к заключению, что имеющиеся наблюдения сильно благоприятствуют Монду. Хотя мы не утверждаем, что Монд идеален, мы все же думаем, что он дает правильную общую картину — галактикам действительно не хватает темной материи.
|
|
|
|
Источник
|
