Неожиданно: новые данные подтверждают модифицированную теорию гравитации
Темная материя - очень хорошая теория. Она подтверждается огромным количеством данных наблюдений и расчетов, поэтому является частью стандартной модели космологии. Но беда в том, что темная материя никогда не наблюдалась напрямую, поэтому даже сторонники темной материи заинтересованы в поиске альтернатив.
Трёхмерная карта распределения тёмной материи, построенная с помощью метода слабого гравитационного линзирования в рамках проекта COSMOS
Самая популярная альтернатива - модифицированная ньютоновская динамика (MoND), также известная как модифицированная теория гравитации. Доказательства темной материи предполагают, что наше понимание гравитации верно. И ньютоновская гравитация и общая теория относительности были убедительно подтверждены наблюдениями, поэтому предположение о темной материи совершенно разумно. Но MoND предполагает, что на фундаментальном уровне наше понимание гравитации немного неверно.
Гравитационные теории как Ньютона так и Эйнштейна основаны на таком явлении, известном как принцип сильной эквивалентности. Вкратце: инерционная масса объекта (как он сопротивляется изменению движения) и его гравитационная масса (как он тянет другие массы) строго пропорциональны (неотличимы). Результатом этого принципа является то, что вся материя падает в гравитационном поле с одинаковым ускорением. Этот эффект подтвержден так называемыми экспериментами Этвёша. Принцип строгой эквивалентности верен с точностью до одной части из 10 в 14 степени, что является текущим пределом наблюдений.
В наиболее распространенных версиях MoND инертная масса объекта НЕ пропорциональна гравитационной массе из-за «эффекта внешнего поля». В ньютоновской физике инертная масса объекта является неотъемлемым свойством, которое существует независимо от чего-либо вокруг него. В MoND инертная масса зависит от гравитационной массы объекта, а также от чистого гравитационного притяжения от остальной Вселенной. Другими словами, инертная масса - это эмерджентное* свойство, а не врожденное.
Эмерджентное свойство — это свойство целостной системы, т. е. не присущие составляющим её элементов, рассматриваемым отдельно вне системы.
В своё время MoND был введена для объяснения наблюдаемого движения материи в галактиках, что также стало причиной появления темной материи. В большинстве галактик большая часть видимого вещества сосредоточена вблизи центра. Таким образом, звезды около центра галактики должны двигаться быстрее, чем звезды на краю, так же как внутренние планеты нашей солнечной системы движутся быстрее, чем внешние планеты. Но что мы наблюдаем, так это то, что звезды в большинстве галактик имеют тенденцию двигаться с одинаковой скоростью независимо от их расстояния от центра. В астрономии мы говорим, что наблюдаемая кривая вращения не соответствует предсказанию.
А - предполагаемая расчётная скорость движения звёзд внутри галактики
B - наблюдаемая скорость движения звёзд внутри галактики
В модели темной материи эти кривые объясняются тем фактом, что темная материя составляет большую часть материи в галактике и окружает галактику ореолом, поэтому большая часть вещества не сосредоточена в центре. MoND объясняет кривые, предполагая, что гравитационное притяжение от других галактик изменяет инертную массу звезд, находящихся дальше от центра, поэтому они движутся быстрее, чем ожидалось.
Кривые вращения должны быть центрированы на нуле, но это не так.
Но если MoND верна, должна быть корреляция между кривой вращения галактики и распределением других близлежащих галактик. Вот здесь и приходит новое исследование. Команда использовала базу данных Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) для изучения кривых вращения 175 галактик. Они сравнили кривую вращения каждой галактики со средним распределением ближайших галактик. Если модель темной материи верна, распределение ближайших галактик не должно влиять на кривую вращения. Если MoND верен, распределение и результирующий эффект внешнего поля (EFE) должны влиять на кривые.
Удивительно и даже шокирующе, но был обнаружен явный эффект. В галактиках с наиболее сильными внешними полями EFE подтверждено с достоверностью от 8 до 11 сигма. Эксперименты обычно считаются подтвержденными, если эффект превышает 5 сигма. Команда также не заметила эффекта кривой для галактик со слабыми внешними полями. В целом это действительно хорошее доказательство для пока что единственного такого исследования. Более того, команда ожидала, что это исследование опровергнет MoND, поэтому они сами так же удивлены полученными результатами.
В целом это увлекательное исследование. Надо понимать, что это не опровергает темную материю, поскольку многочисленные исследования подтверждают эффекты темной материи, но поддерживает аспект модифицированной гравитации. Это неожиданный результат, который требует дальнейшего изучения. MoND долгое время не пользовался популярностью среди астрономов, но это исследование показывает, что нам пока не следует верить легенде о его падении.
Оригинальное исследование: «Проверка строгого принципа эквивалентности: обнаружение эффекта внешнего поля в галактиках, поддерживаемых вращением.», Астрофизический журнал 904.1 (2020): 51
