Темная сторона побеждает: что такое теория альтернативной гравитации и почему она не работает

Ученые представили результаты нового исследования теории альтернативной гравитации, которая исключает наличие темной материи, в издании Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Согласно этим результатам теория MOND не справляется с описанием поведения галактик и нельзя отказываться от теории темной материи. Но последняя может оказаться еще более загадочным веществом, чем предполагается, пишет Phys.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Темная материя

Одной из самых больших загадок астрофизики является то, что наблюдается аномальное вращение галактик. Они вращаются намного быстрее, чем предполагается, согласно закону гравитации Ньютона. Но этот закон хорошо работает в гораздо меньших масштабах, например, в Солнечной системе.

Если галактики так быстро вращаются, то они должны разлететься на части, но этого не происходит. Поэтому появилось предположение, что их вместе удерживает невидимая темная материя с помощью своей гравитации. Но в стандартной модели физики элементарных частиц нет компонентов, которые могли бы составлять темную материю, а значит это что-то очень экзотическое.

Теория MOND

Чтобы исключить темную материю как объяснение аномального вращения галактик в 1982 году была предложена теория под названием Модифицированная ньютоновская динамика (MOND). Но авторы исследования считают, что эта теория скорее всего не работает.

Главная идея MOND заключается в том, что гравитация начинает вести себя иначе, чем ожидал Ньютон, когда она становится очень слабой на окраинах галактик. Таким образом теория альтернативной гравитации, казалось бы, успешно объясняет аномальное вращение галактик.

Стоит сказать, что в этой теории поведение гравитации меняется только при небольших ускорениях, а не на определенном расстоянии от объекта. На окраинах любой галактики будет меньшее ускорение. Но именно величина ускорения, а не расстояние, предсказывает, где гравитация должна быть сильнее.

Это значит, что, хотя эффекты MOND обычно проявляются на расстоянии нескольких тысяч световых лет от галактики, если посмотреть на отдельную звезду, эффекты станут весьма значительными на расстоянии одной десятой светового года. Но более слабые эффекты MOND также должны быть обнаружены и в еще меньших масштабах, например, во внешней части Солнечной системы.

Такая планета как Сатурн находится на расстоянии в 10 раз большем от Солнца, чем Земля. Согласно MOND, гравитация должна была привести к небольшому отклонению орбиты Сатурна от предсказаний Ньютона.

Это можно проверить с синхронизируя радиоимпульсы между Землей и космическим аппаратом, который находится возле Сатурна. До 2017 года на орбите вокруг планеты вращался зонд "Кассини" и это помогло точно отлеживать движение Сатурна. Но никаких аномалий ученые не обнаружили. Это значит, что гравитация Ньютона по-прежнему хорошо работает.

Проверка теории MOND

Авторы нового исследования использовали эти данные и другие наблюдения, чтобы более глубоко проверить принципы MOND.

Исследование показало, что, учитывая то, как теория MOND должна работать, чтобы соответствовать моделям вращения галактик, она не может соответствовать результатам "Кассини" независимо от изменений в расчетах.

Еще одна проверка была сделана с помощью сильно удаленных друг от друга двойных звезд. Они вращаются вокруг общего центра масс на расстоянии, которое в тысячи раз больше расстояния от Земли до Солнца.

Если использовать теорию альтернативной гравитации, то такие звезды должны вращаться вокруг друг друга на 20% быстрее, чем предсказывает гравитация Ньютона. Но авторы обнаружили, что вероятность того, что предсказания MOND сбудутся в этом случае невероятно низкие.

Результаты исследования показывают, что MOND также не может объяснить поведение малых тел на окраинах Солнечной системы. Кометы, которые прилетают оттуда, имеют гораздо более узкое распределение энергии, чем предсказывает MOND. Эти тела также имеют орбиты, которые обычно лишь слегка наклонены к плоскости орбит планет. MOND предполагает, что такой наклон должен быть намного больше.

По словам ученых, теория MOND также не работает в гораздо больших масштабах чем галактики: она не может объяснить движения внутри скоплений галактик.

Темная материя может быть другой

Поэтому, гравитация Ньютона с наличием темной материи, кажется, объясняет аномалии намного лучше. Но стандартная космологическая модель, в которую включена темная материя, также не является идеальной. Точно объяснить некоторые наблюдаемые аномалии она не может.

По словам ученых, хотя от темной материи нельзя отказываться, но ее природа может сильно отличаться от того, что предполагает космологическая модель. Или гравитация действительно может быть сильнее, чем мы думаем, но только в очень больших масштабах. Но в конечном итоге теория MOND в больше не может считаться жизнеспособной альтернативой наличия темной материи, говорят ученые. В данном случае темная сторона все же побеждает.

Как уже писал Фокус, ученые считают, что в космосе существуют волны-убийцы и они могут стать ключом к пониманию природы темной материи.