|
Может ли темная материя вовсе не существовать
|
|
|
|
Говорят, что темной материи больше всего во Вселенной (если говорить о материи вообще). И все же в повседневной жизни мы с ней практически не сталкиваемся. Мы знаем Солнце — самый массивный объект в Солнечной системе — оно состоит из обычной материи (протонов, нейтронов и электронов), но есть еще масса других источников, включая планеты, газ, пыль, плазму и останки звезд. Темной материи среди них нет — и даже Стандартная модель не описывает ее частиц. Конечно, темная материя — не единственный вариант объяснить наблюдаемые гравитационные явления во Вселенной. Другой вариант — модифицировать теорию гравитации, что пытались сделать уже очень многие. На этой почве выросла идея Модифицированной Ньютоновской Динамики (MOND) и другие теории, которые пока являются популярными альтернативами темной материи.
|
 |
|
Чтобы с чего-то начать, нам нужно вернуться в 1800-е годы и поговорить о проблеме, которая существовала задолго до «пропавшей массы» (или «пропавшего света»), которую пытаются решить темная материя и MOND: проблеме Урана и Меркурия. Закон всемирного тяготения, выдвинутый Ньютоном еще в 1600-е годы, был невероятно успешным в описании всего — насколько нам известно — к чему применялся. От движения снарядов до катящихся объектов; от веса объектов до тиканья маятниковых часов; от плавучести лодки до орбиты Луны вокруг Земли, сила тяжести Ньютона никогда не подводила.
|
|
|
|
Три закона Кеплера, особый случай гравитационной формулы Ньютона, применялся ко всем известным планетам в одинаковой степени:
|
|
|
|
Планеты двигаются по эллипсам с Солнцем в одном из фокусов.
|
|
Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади.
|
|
Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет.
|
|
|
|
Известные внутренние и внешние миры все подчинялись этим законам, так что никаких отклонений не выявляли сотни лет. Но с открытием Урана в 1781 году что-то изменилось. В то время как последняя из открытых планет двигалась по эллипсу вокруг Солнца, она двигалась с неправильной скоростью, если сравнивать с предсказанной законами тяготения.
|
|
|
|
В первые 20 лет с момента открытия она двигалась быстрее, каждую ночь и каждый год, чем предписывали законы. В течение следующих 20-25 лет планета двигалась в точном соответствии законам. Но потом замедлялась, и скорость падала ниже прогнозируемой.
|
|
|
|
Была ли ошибка в законе тяготения? Возможно. Но также возможно, что было немного больше материи — чего-то невидимого, темной материи — которая оказывала влияние на Уран, вызывая нарушения в его орбите. Это уже больше похоже на правду. После теоретический войны между Урбеном Леверье и Джоном Коучем Адамсом, которые работали независимо и делали прогнозы относительно местоположения новой планеты, прогнозы Леверье подтвердил Иоганн Галле и его помощник Генрих д’Арре 23 сентября 1846 года. Была обнаружена планета Нептун, первый объект, существование которого было выведено по эффектам, оказываемым его массой: гравитационным влиянием.
|
|
|
|
С другой стороны, внутренняя планета Меркурий — благодаря увеличению точности наблюдений и в сочетании с вековыми данными — начала демонстрировать еще более странное нарушение законов гравитации. Если законы Кеплера предсказывали, что планеты должны двигаться по идеальным эллипсам с Солнцем в одном из фокусов, то при условии, что нет других масс, нарушающих или оказывающих влияние на систему. Но масс вокруг нет, а Меркурий не движется по идеальному эллипсу. Его эллипс прецессирует с течением времени.
|
|
|
|
Используя законы тяготения Ньютона, мы могли бы учесть влияние всех известных планет (в том числе и Нептуна). Проделав все это, мы обнаружили бы, что остается небольшое расхождение между предсказанным и наблюдаемым: прецессия в 43» на столетие, или 0,012 градуса на столетие. Но это не было случайностью.
|
|
|
|
Каким же будет объяснение на этот раз? Связана ли эта новая невидимая масса с недрами Меркурия? Или же реальная проблема закралась в закон гравитации? Основательные поиски ответа на этот вопрос привели к новой теоретической планете Вулкан, которая должна была быть ближе к Солнцу, чем все остальные. Но никакого Вулкана не нашли. Решение пришло в 1915 году, когда Эйнштейн изложил свою общую теорию относительности.
|
|
|
|
Теперь промотаем время до 1970-х годов — до ряда научных наблюдений Веры Рубин. Мы наблюдаем отдельные галактики — в частности, галактики «с ребра» — и измеряем их профили скорости. Мы смотрим на одну сторону галактики и видим, что она движется по направлению к нам (по синему смещению), смотрим на другую — она удаляется от нас (по красному смещению), и так определяем вращение галактики. Чего мы от них ждем? Подобно нашей Солнечной системе, внутренние звезды должны вращаться быстрее, и чем дальше от центра, тем ниже должна быть скорость. Но это не то, что мы находим.
|
|
|
|
Вместо этого скорость вращения каждой отдельной галактики остается постоянной вне зависимости от дистанции. Почему? Опять же, есть два варианта: либо законы гравитации требуют улучшения, либо мы должны предположить существование невидимой лишней массы.
|
|
|
|
Явление MOND впервые подметил Моти Милгром в 1981 году, который заметил, что если мы изменили бы закон тяготения при очень малых ускорениях — что-то вроде долей нанометра в секунду в квадрате — мы могли бы объяснить эти ротационные кривые. Кроме того, та же модификация, одна-единственная и последовательная, могла бы объяснить вращение всех галактик, от самых малых до самых больших. MOND до сих пор это делает, и делает хорошо.
|
|
|
|
Темная материя, с другой стороны, предполагает, что в дополнение к обычным частицам Стандартной модели и обычной материи из «протонов, нейтронов и электронов», которые составляют почти все, что мы знаем, существует новый тип материи. Чтобы объяснить вращательный феномен, предложили ввести большое гало материи, которая не взаимодействует со светом, но и не слипается, и не взаимодействует с обычной материей, кроме как гравитационно. Такой была идея темной материи.
|
|
|
|
Темная материя может объяснить эти ротационные кривые, но делает это не так хорошо, как MOND. Численное моделирование для гало, которые производят даже самые простые модели темной материи, не соответствует наблюдениям; гало слишком «сбитые» в центре и слишком «пушистые» на окраине. (С технической точки зрения они кажутся более изотермическими, чем ожидается). Короче, поначалу MOND была явным лидером.
|
|
|
|
Но там, дальше, началась целая Вселенная. Когда вы предлагаете новую теорию, чтобы заменить старую — как общая теория относительности заменила законы Ньютона, — ваша теория должна удовлетворить три принципа:
|
|
|
|
Она должна воспроизвести весь успех предыдущей лидирующей теории.
|
|
Она должна успешно объяснить новое явление (или явления), ради которого создавалась.
|
|
И она должна сделать новые предсказания, которые будут экспериментально или наблюдательно проверены, подтверждены или опровергнуты, чтобы это было уникально для новой теории.
|
|
|
|
Мы говорим обо всех успехах предыдущей ведущей теории, а они многочисленны.
|
|
|
|
Есть гравитационное искривление звездного света массой, сильное и слабое гравитационное линзирование. Есть эффект Шапиро. Есть гравитационное замедление времени и гравитационное красное смещение. Есть концепция Большого Взрыва и концепция расширяющейся Вселенной. Есть движения галактик внутри скоплений и кластеризация самих галактик на самых больших масштабах.
|
|
|
|
В случае со всеми этими примерами — всеми — MOND терпит сокрушительное поражение, либо не предлагая никаких прогнозов, либо делая прогнозы, которые вступают в удручающее противоречие с имеющимися данными. Вы можете справедливо заметить, что MOND никогда не собиралась быть полной теорией, а скорее описанием одного явления, которое может привести к более полной теории. Многие люди работают над расширением MOND, которое могло бы объяснить эти наблюдения, но пока безуспешно.
|
|
|
|
Но если вы продолжите закон гравитации Эйнштейна и просто добавите новый ингредиент, холодную темную материю, вы можете объяснить все, включая и некоторые новые необычные нюансы.
|
|
|
|
Вы можете объяснить картину кластеризации, которая наблюдается в крупномасштабной структуре Вселенной, если у вас будет в пять раз больше темной материи, чем обычной.
|
|
|
|
И что особенно впечатляет, вы можете сделать совершенно новое предсказание: когда сталкивается два скопления галактик, газ в них нагревается, замедляется и излучает рентгеновские лучи, тогда как масса, которую мы видим с помощью гравитационного линзирования, следует за темной материей и подменяется рентгеновскими лучами. Это новое предсказание было подтверждено экспериментально и держится уже десять лет, являя собой непрямое подтверждение существования темной материи.
|
|
|
|
У MOND есть преимущество: она объясняет кривые вращения галактик лучше, чем темная материя. Но это не физическая теория и она не соответствует полному набору наблюдений, которые мы имеем. Темная материя существует — по крайней мере в теории — поскольку она дает нам все ту же Вселенную, последовательную, без каких-либо модификаций.
|
|
|
|
Но в настоящее время неудачи MOND, космологические, ставят ее ниже темной материи. Пусть воспроизведет все успехи ОТО, объяснит новые явления, сделает прогнозы, которые можно будет подтвердить — и ученые несомненно обратятся в новую веру. Ведь они хорошие ученые.
|
|
|
|
http://hi-news.ru/space/mozhet-li-temnaya-materiya-vovse-ne-sushhestvovat.html
|
