Темная материя: пришло время отказаться от нее в пользу новой теории гравитации?

Мы можем довольно точно моделировать движения планет в Солнечной системе, используя законы физики Ньютона. Но в начале 1970-х годов ученые заметили, что это не работает для дисковых галактик — звезды на их внешних краях, далекие от гравитационной силы всей материи в их центре — двигались намного быстрее, чем предсказывала теория Ньютона. 

Это заставило физиков предположить, что невидимая субстанция, называемая «темной материей», обеспечивает дополнительное гравитационное притяжение, заставляющее звезды оставаться в пределах галактики, невзирая на их скорость движения. Данная теория стала чрезвычайно популярной в научном мире. 

Однако в недавнем обзоре, обновленная публикация которого размещена на ресурсе MDPI, группа ученых предположила, что наблюдения в широком диапазоне масштабов гораздо лучше объясняются альтернативной теорией гравитации, предложенной израильским физиком Мордехаем Милгромом (Mordehai Milgrom) в 1982 году и называемой динамикой Милгрома (Milgromian dynamics) или сокращенно - MOND, которая не требует наличия невидимой материи. 

Главный постулат MOND 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. 

Философы науки утверждали, что эта сила, предсказанная постулатом MOND, выше стандартной космологической модели, которая предполагает, что во Вселенной больше темной материи, чем обычной барионной, то есть 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. Изложенное делает невозможным предсказать, как быстро должны вращаться галактики. Но такие прогнозы пока 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 составлять от 100 до 300 километров в секунду на окраинах. MOND делает более определенный прогноз, что скорость вращения должна быть в диапазоне 180–190 километров в секунду. Если позже наблюдения выявят скорость вращения 188 километров в секунду, то это согласуется с обеими теориями, но очевидно, что предпочтение отдается MOND. 

Это современная версия бритвы Оккамы (Occam's razor) — 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 Оккамы о том, что теория с большим количеством свободных параметров согласуется с более широким диапазоном данных, что делает ее более сложной. 

В данном обзоре используется эта концепция при проверке стандартной космологической модели и MOND 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). Оценивается также, насколько хорошо каждая модель соответствует наблюдениям: +2 указывает на отличное согласие, а –2 зарезервировано для наблюдений, которые ясно показывают, что теория ошибочна. Затем необходимо вычесть 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. Исследователи нашли средний балл для стандартной космологической модели -0,25 по 32 тестам, в то время как MOND набрал в среднем +1,69 по 29 тестам. 

 

Проблемы с темной материей 

Один из самых поразительных недостатков стандартной космологической модели связан с «галактическими перемычками» — стержнеобразными яркими областями, состоящими из звезд, — которые спиральные галактики часто имеют в своих центральных областях. Бары-перемычки вращаются с течением времени. Если бы галактики были окружены массивными ореолами темной материи, их перемычки замедлились бы. Однако большинство, если не все, наблюдаемые средние 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 были обследованы в данном обзоре, и MOND 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 MOND от стандартной космологической модели в данном исследовании привел исследователей к заключению, что имеющиеся наблюдения сильно благоприятствуют MOND. Хотя нельзя утверждать, что MOND идеален, и нельзя думать, что он дает правильную общую картину — галактикам действительно не хватает темной материи.

Источник: Phys.org.

Ранее сообщалось о том, что в галактике NGC 3256 обнаружено большое количество темной материи.