Newsweek: во Вселенной может быть нет никакой темной материи
Ученые уже почти столетие ищут темную материю – неизвестную и невидимую субстанцию, из которой сделана большая часть нашей Вселенной.
Причина этих упорных поисков в том, что без нее трудно объяснить тот факт, что галактики не очень подчиняются законам физики. Однако, пока все попытки обнаружить темную материю не увенчались успехом. Но есть и другие подходы, которые могут объяснить причину странного поведения галактик.
Об этом на страницах Newsweek пишет физик из Университета Южной Дании Юрий Смирнов, который указывает, что в своем новом исследовании показал, как «изменив» законы гравитации для чрезвычайно больших галактик можно вообще избежать темной материи. Швейцарский астроном Фриц Цвики в 1930-х годах обнаружил, что скорость в галактических кластерах слишком высока, чтобы можно было определить, какое количество материи люди на Земле могут увидеть. Похожий феномен описали и другие группы астрономов, в частности Вера Рубин и Кент Форд, которые исследовали движение звезд в отдаленных частях галактики Андромеда.
Ожидалось, что скорость звезд подальше от центра галактики будет уменьшаться, поскольку гравитационные силы будут на них действовать меньше. Ведь согласно второму закону Ньютона, гравитационное притяжение материи на орбите напрямую зависит от ее массы и ускорения. Но исследования показали, что такого сокращения в скорости на самом деле не наблюдается. Именно поэтому ученые допустили, что может существовать какая-то невидимая материя, которая создавала бы более сильное гравитационное притяжение и ускоряла движение звезд. В прошлые десятилетия другие исследования гравитационных систем на очень большом расстоянии обнаружили ту же проблему.
Неразгаданная загадка о том, что же такое эта темная материя на самом деле, остается одним из крупнейших вызовов современной физики. Суть вопроса в том, действительно ли это неизвестный до сих пор источник массы в виде нового типа материи. Или может все дело в том, что гравитационные законы просто другие для чрезвычайно гигантских масштабов.
Хотя первый вариант кажется очень соблазнительным, ученым до сих пор не удалось найти ни какой темной материи. Также хоть гравитационные законы хорошо изучены и проверены в пределах Солнечной системы, пока приходится очень осторожно относиться к попыткам перенести этот опыт и на масштабы, которые были бы в миллиарды раз больше.
Одной из наиболее известных попыток избавиться от нужды в темной материи стали так называемые Измененные законы Ньютона (MOND). Согласно с ними, гравитация становится неравномерной там, где гравитационная сила очень слабая, например на окраинах галактики. Но эта теория не прошла такой же жесткой проверки, как нынешняя стандартная модель космологии, которая включает темную материю.
Главная проблема в том, что MOND не может объяснить проблему массы в галактиках и галактических кластерах одновременно. Другой очень убедительный аргумент против этой теории заключается в результатах наблюдений за столкновениями между скоплениями галактик, во время которых звезды каждой галактики проходили мимо друг друга, а газовые облака объединялись и оставались позади. Известный пример – это скопление галактик Пуля, которое состоит из двух скоплений, которые столкнулись. Наблюдения указывают на то, что темная материя следует за звездами в этих событиях, поскольку ее общая масса меньше, чем у газовых облаков. MOND не может объяснить, почему все происходит именно так.
Поэтому, по мнению автора, нужно изменить законы гравитации иначе. Он допускает, что явление, известное как скрининг Вайнштейна, существует. Это означает, что каждый достаточно плотный, компактный объект в космосе генерирует невидимую сферу вокруг себя, которая и определяет то, как законы физики будут функционировать при больших расстояниях. Эти сферы – это теоретическая концепция, призванная помочь осознать различия между малыми и большими масштабами. Это не реальная физическая мембрана.
Поэтому согласно теории Смирнова и его коллег, внутри этого условного пузыря законы традиционной ньютоновской гравитации, которые наблюдаются в пределах Солнечной системы, держат объекты, которые взаимодействуют с массивным телом в центре. За пределами пузыря теория предполагает, что гравитационное притяжение к центральному объекту может быть значительно усиленным. Хоть никакой дополнительной массы нет.
Размер пузыря, по мнению ученых, будет пропорционален массе центрального объекта. Если, например, у галактики эта сфера имеет радиус в несколько тысяч световых лет (с такого расстояния обычно и наблюдается действие темной материи), соответствующая сфера вокруг нашего Солнца была бы до 50 тысяч астрономических единиц в диаметре (астрономическая единица – расстояние от Солнца до Земли). Однако, край Солнечной системы лежит всего на расстоянии 50 астрономических единиц. Другими словами, там нет объектов, за которыми можно было бы наблюдать, чтобы проверить, влияет ли гравитационное притяжение Солнца на них так же, как и на Землю. Только наблюдения за очень удаленными и гигантскими системами позволяет это сделать.
Интересным эффектом своей теории автор называет то, что размер ньютоновского пузыря определенным образом растет вместе с закрытой массой. Это означает, что законы гравитации будут меняться для разных масштабов в галактиках и галактических скоплениях соответственно. А следовательно, это может объяснить эффект появления темной материи в обеих системах одновременно, чего не могла теория MOND. Более того, новая теория совпадает с наблюдениями в скоплении Пуля. Газовые облака остались на окраинах, потому что они не достаточно компактные, чтобы создать пузырь вокруг себя. Это означает, что темная материя заметна только вокруг более компактных звезд.
Смирнов добавляет, что новая теория позволяет объяснить скорости звезд в галактиках лучше, чем общая теория относительности Эйнштейна, которая сделала предположение о существовании темной материи возможным. Поэтому вполне вероятно, что загадочная невидимая материя не такая уж и таинственная, как кажется. А может ее нет и вообще во Вселенной.
