Докази модифікованої гравітації в русі подвійних зірок

У зв’язку з тим, що нам не вдається відкрити частинки темної матерії, варто розглянути альтернативи. Незважаючи на те, що темна матерія є найбільш широко підтримуваною моделлю, альтернативи поділяються на два широкі шляхи. Один полягає в тому, що ми повинні звернутись до розширених моделей загальної теорії відносності, таких як конформна гравітація. Інший стверджує, що ми повинні змінити саму природу ньютонівської динаміки. Перший підхід, як правило, популярний серед теоретиків, оскільки він зосереджується на абстрактній теорії в тому ж ключі, що й оригінальні ідеї Ейнштейна. Другий, часто відомий як модифікована динаміка Ньютона, або MoND, має тенденцію бути більш популярним серед астрономів-спостережників.

MoND має довгу історію в астрономії. Вперше він був представлений ще на початку 1980-х років Мордехаєм Мілгромом як спосіб пояснити криві обертання галактик. У нашій Сонячній системі віддалені планети обертаються навколо Сонця повільніше, ніж близькі планети, що чудово узгоджується із законом всесвітнього тяжіння Ньютона. Але зірки в галактиках обертаються навколо галактичного центру приблизно з однаковою швидкістю незалежно від відстані. Пояснення темної матерії полягає в тому, що більша частина маси галактики розподілена у вигляді гало навколо галактики, ми просто не можемо її побачити, оскільки темна матерія не взаємодіє зі світлом. MoND стверджує, що знамените рівняння Ньютона F = ma є лише наближенням, яке працює для більших сил. Для надзвичайно малих сил, таких як галактичне перетягування зірки, прискорення відхиляється лише настільки, щоб відповідати кривій галактичного обертання.

Якщо це звучить як забиття, то так воно і є. Він порушує фундаментальні фізичні закони, погано поєднується зі спеціальною теорією відносності та має багато інших проблем. Але важливо мати на увазі, що спочатку це було запропоновано як доказ концепції, а не надійної теорії. Так було з темною матерією в перші роки.

Однією з причин недостатньої популярності MoND є те, що це не теорія поля. Електромагнетизм, теорія відносності, квантова теорія та інші трактують фізичні величини як поля, що дозволяє фізикам застосовувати всі види сучасного математичного аналізу. Оскільки MoND не є теорією поля, йому не вистачає глобальної структури, яка ставить його в рівне ігрове поле, вибачте за каламбур. Але є варіант MoND, відомий як AQUAL, що означає квадратичний лагранжіан. Прогнози AQUAL дещо відрізняються від MoND, але AQUAL є теорією поля, тому вона популярна серед прихильників темної матерії. Існує також релятивістське розширення AQUAL, відоме як тензор-вектор-скалярна гравітація (TeVeS).

Хоча AQUAL не користується популярністю в науковому співтоваристві, це дійсна модель, яку можна перевірити. Більшість передбачень, які він робить, також зроблені моделями темної матерії, але є кілька, які відрізняються. Одна з них полягає в тому, що крива обертання галактики повинна мати згин, оскільки ефект MoND стає більш домінуючим, і у 2022 році це було помічено в більш ніж 100 галактиках. Тепер дослідження подвійних зірок, здається, знову підтверджує AQUAL.

Замість галактик, це дослідження розглядало широкі подвійні системи. Це подвійні зірки, що обертаються одна проти одної на великих відстанях. Оскільки гравітаційне тяжіння між зірками невелике, ньютонівська гравітація та AQUAL роблять дещо інші прогнози щодо їхнього руху. І оскільки темна матерія не має сильного впливу на масштаб зоряних систем, вона передбачає, що зірки повинні слідувати ньютонівському руху.

Взявши дані з космічного телескопа Gaia, автор проаналізував орбітальний рух 26 500 широких подвійних систем і порівняв гравітаційні прискорення зірок з їхніми орбітальними розривами. При більших прискореннях орбіти узгоджуються як з AQUAL, так і з ньютонівською гравітацією, але при менших прискореннях подвійні орбіти відхиляються від Ньютона саме так, як передбачає AQUAL. Іншими словами, для тисяч подвійних систем AQUAL є кращою моделлю їх руху, ніж Ньютон. Здавалося б, це суперечить моделям темної матерії.

Це лише одне дослідження, і автор намагається не робити сміливих заяв. Але це дуже цікавий результат. Темна матерія залишається кращою теорією для таких речей, як скупчення галактик і ефекти гравітаційних лінз, але здається очевидним, що AQUAL є суперником, якого не можна легко ігнорувати. Джерело