Темна сторона перемагає: що таке теорія альтернативної гравітації та чому вона не працює

Учені представили результати нового дослідження теорії альтернативної гравітації, яка виключає наявність темної матерії, у виданні Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Згідно з цими результатами теорія MOND не справляється з описом поведінки галактик і не можна відмовлятися від теорії темної матерії. Але остання може виявитися ще більш загадковою речовиною, ніж передбачається, пише Phys.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Темна матерія

Однією з найбільших загадок астрофізики є те, що спостерігається аномальне обертання галактик. Вони обертаються набагато швидше, ніж передбачається, відповідно до закону гравітації Ньютона. Але цей закон добре працює в набагато менших масштабах, наприклад, у Сонячній системі.

Якщо галактики так швидко обертаються, то вони повинні розлетітися на частини, але цього не відбувається. Тому з'явилося припущення, що їх разом утримує невидима темна матерія за допомогою своєї гравітації. Але в стандартній моделі фізики елементарних частинок немає компонентів, які могли б складати темну матерію, а отже це щось дуже екзотичне.

Теорія MOND

Щоб виключити темну матерію як пояснення аномального обертання галактик, 1982 року було запропоновано теорію під назвою Модифікована ньютонівська динаміка (MOND). Але автори дослідження вважають, що ця теорія найімовірніше не працює.

Головна ідея MOND полягає в тому, що гравітація починає поводитися інакше, ніж очікував Ньютон, коли вона стає дуже слабкою на околицях галактик. Таким чином теорія альтернативної гравітації, здавалося б, успішно пояснює аномальне обертання галактик.

Варто сказати, що в цій теорії поведінка гравітації змінюється тільки при невеликих прискореннях, а не на певній відстані від об'єкта. На околицях будь-якої галактики буде менше прискорення. Але саме величина прискорення, а не відстань, пророкує, де гравітація має бути сильнішою.

Це означає, що, хоча ефекти MOND зазвичай проявляються на відстані кількох тисяч світлових років від галактики, якщо подивитися на окрему зірку, ефекти стануть досить значними на відстані однієї десятої світлового року. Але слабші ефекти MOND також мають бути виявлені і в ще менших масштабах, наприклад, у зовнішній частині Сонячної системи.

Така планета, як Сатурн, перебуває на відстані в 10 разів більшій від Сонця, ніж Земля. Згідно з MOND, гравітація мала призвести до невеликого відхилення орбіти Сатурна від передбачень Ньютона.

Це можна перевірити, синхронізувавши радіоімпульси між Землею та космічним апаратом, що перебуває біля Сатурна. До 2017 року на орбіті навколо планети обертався зонд "Кассіні" і це допомогло точно відстежувати рух Сатурна. Але жодних аномалій вчені не виявили. Це означає, що гравітація Ньютона, як і раніше, добре працює.

Перевірка теорії MOND

Автори нового дослідження використовували ці дані та інші спостереження, щоб глибше перевірити принципи MOND.

Дослідження показало, що, з огляду на те, як теорія MOND має працювати, щоб відповідати моделям обертання галактик, вона не може відповідати результатам "Кассіні" незалежно від змін у розрахунках.

Ще одна перевірка була зроблена за допомогою сильно віддалених одна від одної подвійних зірок. Вони обертаються навколо спільного центру мас на відстані, яка в тисячі разів більша за відстань від Землі до Сонця.

Якщо використовувати теорію альтернативної гравітації, то такі зірки мають обертатися навколо одна одної на 20% швидше, ніж передбачає гравітація Ньютона. Але автори виявили, що ймовірність того, що передбачення MOND справдяться в цьому випадку неймовірно низька.

Результати дослідження показують, що MOND також не може пояснити поведінку малих тіл на околицях Сонячної системи. Комети, які прилітають звідти, мають набагато вужчий розподіл енергії, ніж передбачає MOND. Ці тіла також мають орбіти, які зазвичай лише злегка нахилені до площини орбіт планет. MOND припускає, що такий нахил має бути набагато більшим.

За словами вчених, теорія MOND також не працює в набагато більших масштабах, ніж галактики: вона не може пояснити рухи всередині скупчень галактик.

Темна матерія може бути іншою

Тому, гравітація Ньютона з наявністю темної матерії, здається, пояснює аномалії набагато краще. Але стандартна космологічна модель, до якої включено темну матерію, також не є ідеальною. Точно пояснити деякі спостережувані аномалії вона не може.

За словами вчених, хоча від темної матерії не можна відмовлятися, але її природа може сильно відрізнятися від того, що передбачає космологічна модель. Або гравітація дійсно може бути сильнішою, ніж ми думаємо, але тільки в дуже великих масштабах. Але в кінцевому підсумку теорія MOND більше не може вважатися життєздатною альтернативою наявності темної матерії, кажуть учені. У цьому випадку темна сторона все ж перемагає.

Як уже писав Фокус, вчені вважають, що в космосі існують хвилі-вбивці і вони можуть стати ключем до розуміння природи темної матерії.