Темная материя оказалась не нужна

Ученые из Германии и Дании показали, что, если законы гравитации изменяются в масштабах галактик, темная материя может и не понадобиться для описания проблем аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик и скрытой массы. Результаты исследования опубликованы в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Фриц Цвики — швейцарский астроном — в 1930-х годах открыл, что скорости внешних частей рукавов галактик и их скоплений были слишком высоки для того количества материи, что он мог видеть. Это явление было затем описано несколькими группами астрономов, когда они исследовали движение звезд на дальних краях Туманности Андромеды. Они думали, что скорости звезд вдали от ее центра уменьшатся, поскольку испытывают меньшее гравитационное притяжение. Это связано с тем, что, согласно второму закону Ньютона, гравитационное притяжение на орбитальной материи может быть приравнено к произведению ее массы на ускорение, которое связано со скоростью.

Однако измерения показали, что такого уменьшения скоростей с расстоянием не было. Это заставило ученых поверить, что должно быть какое-то невидимое вещество для создания более сильного гравитационного притяжения и более быстрого звездного движения. В последние десятилетия большое количество зондов, исследующих гравитацию в галактических масштабах, указали на ту же проблему.

Самая известная попытка уйти от потребности в темной материи — это Модифицированная Ньютоновская Динамика (MOND), которая предполагает, что закон тяготения Ньютона становится нерегулярным, когда гравитационное притяжение ослаблено, как в случае с внешними областями галактики. Главная проблема состоит в том, что MOND не может объяснить проблему скрытой массы в галактиках и их скоплениях одновременно. Другой серьезный аргумент против MOND основан на наблюдении столкновений скоплений галактик, где звезды каждой галактики проходят друг через друга, но газовые облака слипаются и остаются позади. Наблюдения показывают, что темная материя в этих событиях следует за звездами, которые имеют меньшую общую массу, чем газовое облако. MOND не может объяснить, почему это так.

Немецкие ученые подошли к проблеме по-другому. Они предположили, что работает явление, известное как скрининг Вайнштейна: каждый достаточно плотный и компактный объект в космосе создает вокруг себя невидимую сферу, которая определяет, как законы физики ведут себя с увеличением расстояния. Эта сфера — теоретическая концепция, которая помогает понять разницу между малыми и большими астрономическими масштабами.

Согласно разработанной учеными теории, внутри этого пузыря законы обычной ньютоновской гравитации, которые мы видим в Солнечной системе, справедливы для объектов, взаимодействующих с массивным телом в центре. Вне пузыря теория предполагает, что гравитационное притяжение центрального объекта может быть значительно увеличено, даже если влияние его массы там фактически не присутствует.

«Размер пузыря будет пропорционален массе центрального объекта. Если, например, в галактике эта сфера имеет радиус в несколько тысяч световых лет — типичное расстояние, на котором наблюдаются признаки темной материи, — соответствующая сфера нашего Солнца будет иметь радиус 50 000 астрономических единиц (одна такая единица — это расстояние между Солнцем и Землей). Тем не менее, край Солнечной системы находится всего в 50 астрономических единицах. Другими словами, нет объектов, которые мы могли бы наблюдать так далеко от Солнца, чтобы проверить, притягивает ли наша звезда другие объекты иначе, чем Землю. Только наблюдение очень далеких скоплений позволяет нам сделать это», — говорит один из авторов исследования, сотрудник Университета южной Дании Юрий Смирнов.