|
Мертва ли теория о главном сопернике темной материи
|
|
|
|
Одна из самых больших загадок астрофизики на сегодняшний день заключается в том, что силы притяжения в галактиках, похоже, не складываются. Галактики вращаются гораздо быстрее, чем можно было предсказать, применив закон всемирного тяготения Ньютона к их видимой материи, несмотря на то, что эти законы хорошо работают повсюду в Солнечной системе. Чтобы галактики не разлетались на части, необходима дополнительная гравитация. Вот почему впервые была выдвинута идея о невидимой субстанции, называемой темной материей. Но никто никогда ее не видел. И в чрезвычайно успешной стандартной модели физики элементарных частиц нет частиц, которые могли бы быть темной материей — это должно быть что-то совершенно экзотическое. Это привело к появлению конкурирующей идеи о том, что галактические различия вызваны нарушением законов Ньютона. Наиболее успешная такая идея известна как динамика Милгрома или MOND, предложенная израильским физиком Мордехаем Милгромом в 1982 году. Но наше недавнее исследование показывает, что с этой теорией проблемы.
|
|
|
|
Основной постулат MOND заключается в том, что гравитация начинает вести себя не так, как ожидал Ньютон, когда она становится очень слабой, например, на границах галактик. MOND довольно успешно предсказывает вращение галактик без какой-либо темной материи, и у него есть несколько других успехов. Но многие из них также могут быть объяснены с помощью темной материи, сохраняющей законы Ньютона. Итак, как нам провести окончательное тестирование MOND? Мы занимаемся этим уже много лет. Суть в том, что MOND изменяет поведение силы тяжести только при малых ускорениях, а не на определенном расстоянии от объекта. На окраине любого небесного объекта — планеты, звезды или галактики — вы почувствуете меньшее ускорение, чем когда окажетесь рядом с ним. Но именно величина ускорения, а не расстояние определяет, где гравитация должна быть сильнее.
|
|
|
Это означает, что, хотя эффекты MOND обычно проявляются на расстоянии нескольких тысяч световых лет от галактики, если мы посмотрим на отдельную звезду, эффекты станут весьма значительными на расстоянии десятой части светового года. Это всего в несколько тысяч раз больше астрономической единицы (AU) — расстояния между Землей и Солнцем. Но более слабые эффекты MOND также должны быть заметны в еще меньших масштабах, например, во внешней части Солнечной системы. Это подводит нас к миссии "Кассини", которая вращалась вокруг Сатурна с 2004 года до своего последнего столкновения с планетой в 2017 году. Сатурн обращается вокруг Солнца на расстоянии 10 а.е. Из-за причуды MOND гравитация остальной части нашей галактики должна привести к незначительному отклонению орбиты Сатурна от ньютоновских ожиданий.
|
|
|
|
Это можно проверить, определив время прохождения радиоимпульсов между Землей и "Кассини". Поскольку "Кассини" вращался вокруг Сатурна, это помогло измерить расстояние между Землей и Сатурном и позволило нам точно отследить орбиту Сатурна. Однако "Кассини" не обнаружил никаких аномалий, подобных ожидаемым в MOND. Ньютон по-прежнему хорошо работает на Сатурне. Один из нас, Гарри Десмонд, недавно опубликовал в Monthly Notices Королевского астрономического общества исследование, в котором более подробно рассматриваются результаты. Возможно, данные MOND соответствовали бы данным Cassini, если бы мы изменили способ расчета масс галактик по их яркости? Это повлияло бы на то, насколько сильное усиление гравитации должен обеспечить MOND, чтобы соответствовать моделям вращения галактики, и, следовательно, на то, чего нам следует ожидать от орбиты Сатурна.
|
|
|
|
Еще одной неопределенностью является гравитация окружающих галактик, которая оказывает незначительное влияние. Но исследование показало, что, учитывая, как должен работать MOND, чтобы соответствовать моделям вращения галактик, он также не может соответствовать результатам радиослежения Cassini — независимо от того, как мы корректируем расчеты. При стандартных предположениях, которые астрономы считают наиболее вероятными, и с учетом широкого спектра неопределенностей вероятность того, что MOND совпадет с результатами "Кассини", равна шансу на то, что подброшенная монетка упадет орлом вверх 59 раз подряд. Это более чем в два раза превышает золотой стандарт "5 сигм" для научных открытий, что соответствует примерно 21 подбрасыванию монеты подряд.
|
|
|
|
Это не единственная плохая новость для MOND. Еще один тест был проведен на больших двойных звездах — двух звездах, которые вращаются вокруг общего центра на расстоянии нескольких тысяч астрономических единиц друг от друга. MOND предсказал, что такие звезды должны вращаться вокруг друг друга на 20% быстрее, чем ожидалось в соответствии с законами Ньютона. Но один из нас, Индранил Баник, недавно провел очень подробное исследование, которое опровергает этот прогноз. Вероятность того, что MOND окажется прав, учитывая эти результаты, такая же, как если бы монета выпала 190 раз подряд. Результаты работы еще одной команды показывают, что MOND также не может объяснить существование малых тел в отдаленных районах Солнечной системы. Кометы, прилетающие оттуда, имеют гораздо более узкое распределение энергии, чем предсказывает MOND. У этих тел также есть орбиты, которые, как правило, лишь слегка наклонены к плоскости, близкой к которой вращаются все планеты. В противном случае наклоны были бы намного больше.
|
|
|
|
Ньютоновская теория тяготения значительно предпочтительнее MOND в масштабах, меньших примерно светового года. Но MOND также не работает в масштабах, превышающих размеры галактик: она не может объяснить движения внутри скоплений галактик. Теория темной материи была впервые предложена Фрицем Цвикки в 1930-х годах для объяснения случайных движений галактик в скоплении Кома, для удержания которых требуется большая гравитация, чем может обеспечить видимая масса. MOND также не может обеспечить достаточную гравитацию, по крайней мере, в центральных областях скоплений галактик. Но на их окраинах MOND обеспечивает слишком сильную гравитацию. Если предположить, что ньютоновская гравитация, в которой темной материи в пять раз больше, чем обычной, хорошо согласуется с данными.
|
|
|
|
Однако стандартная космологическая модель темной материи не идеальна. Есть вещи, которые она с трудом объясняет, от скорости расширения Вселенной до гигантских космических структур. Так что, возможно, у нас пока нет идеальной модели. Похоже, что темная материя никуда не денется, но ее природа может отличаться от того, что предполагает стандартная модель. Или гравитация действительно может быть сильнее, чем мы думаем, но только в очень больших масштабах. Однако, в конечном счете, MOND в его нынешнем виде больше не может считаться жизнеспособной альтернативой темной материи. Нам это может не нравиться, но темная сторона по-прежнему доминирует.
|
|
|
|
Источник
|
