Действительно ли темная материя существует, или мы неправильно понимаем гравитацию?

Уже много лет астрономы и физики находятся в состоянии конфликта. Является ли таинственная темная материя, которую мы наблюдаем глубоко во Вселенной, реальной, или то, что мы видим, является результатом незначительных отклонений от законов гравитации, насколько мы их знаем?

Об этом рассказывают в Амстердамском университете (UvA).

В 2016 году голландский физик Эрик Верлинде предложил теорию второго вида: энтропийная (или эмерджентная) гравитация.

Новое исследование, опубликованное на этой неделе в журнале "Astronomy & Astrophysics", расширяет границы наблюдений темной материи в неизвестных внешних областях галактик, и при этом переоценивает несколько моделей темной материи и альтернативных теорий гравитации.

Измерения гравитации 259 000 изолированных галактик показывают очень тесную взаимосвязь между вкладом темной материи и вкладом обычной материи, как предполагается в теории энтропийной гравитации Верлинде и альтернативной модели под названием Модифицированная ньютоновская динамика. Однако, похоже, результаты также согласуются с компьютерным моделированием Вселенной, которое предусматривает, что темная материя является "реальным веществом".

Новое исследование было проведено международной командой астрономов во главе с Марго Браувер из Университета Гронингена (RUG) и UvA. Также важные роли сыграли Кайл Оман (RUG и Дарэмский университет) и Эдвин Валентийн (RUG). В 2016 году Брауэр также провела первую проверку идей Верлинде; на этот раз к исследовательской группе присоединился и сам Верлинде.

Материя или гравитация?

До сих пор темная материя никогда не наблюдалась непосредственно – отсюда и название. То, что астрономы наблюдают на ночном небе, – это последствия потенциального присутньости материи: изгиб звездного света, звезды, которые движутся быстрее, чем ожидалось, а также влияние на движение целых галактик. Без сомнения, все эти эффекты вызваны гравитацией, но вопрос заключается в том: действительно ли мы наблюдаем дополнительную гравитацию, вызванную невидимой материей, или сами законы гравитации – это то, что мы еще не полностью поняли?

Чтобы ответить на этот вопрос, новое исследование использует метод, подобный методу, который использовался в оригинальном тесте в 2016 году. Брауэр и ее коллеги используют непрерывную серию фотографических измерений, начатую десять лет назад: KiloDegree Survey (KiDS), проводимых с использованием Очень большого телескопа (VLT) Европейской южной обсерватории в Чили. В ходе этих наблюдений измеряется то, как звездный свет из дальних галактик сгибается под действием гравитации на пути к нашим телескопам. Если в 2016 году измерения таких "эффектов линзы" охватывали область ночного неба только на площади около 180 квадратных градусов, то с тех пор эта область была увеличена до примерно 1000 квадратных градусов – что позволило исследователям измерить распределение гравитации примерно в миллионе разных галактик.

Сравнительное тестирование

Брауэр и его коллеги отобрали более 259 000 изолированных галактик, для которых им удалось измерить так называемое "соотношение радиального ускорения" (RAR). Этот RAR сравнивает количество гравитации, ожидаемое на основе видимой материи в галактике, с количеством гравитации, которая на самом деле присутствует – другими словами: результат показывает, сколько существует "дополнительной" гравитации, кроме той, которая обусловлена ​​обычной материей. К этому времени количество дополнительной гравитации определялось только во внешних регионах галактик путем наблюдения за движением звезд, и в регионе, примерно в пять раз большем, путем измерения скорости вращения холодного газа.

Используя гравитационные эффекты линзирования, теперь исследователи смогли определить RAR с гравитационными силами, которые были в сто раз меньше, что позволило им проникнуть гораздо глубже в регионы, которые находятся далеко за пределами отдельных галактик.

Это позволило чрезвычайно точно измерить дополнительную гравитацию – но эта гравитация является результатом невидимой темной материи, или нам нужно улучшить наше понимание самой гравитации?

Автор исследования Кайл Оман указывает, что предположение о ее "реальности" по крайней мере частично работает: "В нашем исследовании мы сравниваем результаты измерения с четырьмя различными теоретическими моделями: две, которые предусматривают существование темной материи и лежат в основе компьютерных моделирований нашей Вселенной, и две, которые модифицируют законы гравитации – модель энтропийной гравитации Эрика Верлинде и так называемая "Модифицированная ньютоновская динамика" или MOND".

"Одно из двух моделирований темной материи, MICE, делает предсказания, которые очень хорошо соответствуют нашим измерениям. Для нас стало неожиданностью, что другое моделирование, BAHAMAS, привело к совсем другим предсказаниям. То, что предсказания двух моделей вообще отличались, уже удивило, поскольку мидели настолько похожи. Но более того, мы ожидать, что если появится разница, BAHAMAS сработает лучше".

"BAHAMAS – это гораздо более детальная модель, чем MICE, она гораздо ближе подходит к нашему нынешнему пониманию того, как формируются галактики во Вселенной с темной материей. Однако, MICE работает эффективнее, если сравнить ее предсказания с нашими измерениями. В дальнейшем, опираясь на наши выводы, мы хотим дополнительно исследовать, что вызывает различия между моделированием".

Молодые и старые галактики

Таким образом, кажется, что по крайней мере одна модель темной материи действительно работает. Однако альтернативные модели гравитации также предусматривают измеренный RAR. Видимо присутствует противостояние – так как же мы узнаем, какая модель верна?

Марго Брауэр, которая возглавляла исследовательскую группу, продолжает: "На основе наших тестов, наш первоначальный вывод был таким, что две альтернативные модели гравитации и MICE достаточно хорошо согласуются с наблюдениями. Однако самое интересное было еще впереди: поскольку мы имели доступ к более 259 000 галактикам, мы могли разделить их на несколько типов – относительно молодые, голубого цвета спиральные галактики против сравнительно старых, красных эллиптических галактик".

Эти два типа галактик возникают очень по-разному: красные эллиптические галактики образуются при взаимодействии различных галактик, например, когда две голубые спиральные галактики проходят мимо друг друга или даже сталкиваются. Как результат, в рамках теории частиц темной материи ожидается, что соотношение между обычной и темной материи в различных типах галактик может меняться.

Модели, такие как теория Верлинде и MOND, с другой стороны, не используют частицы темной материи, и потому прогнозируют фиксированное соотношение между ожидаемой и измеренной гравитацией в двух типах галактик – то есть независимо от их типа. Брауэр: "Мы обнаружили, что RAR для двух типов галактик существенно отличались. Это было бы сильным намеком на существование темной материи как частицы".

График, отражающий соотношение радиального ускорения (RAR). Фон - изображение эллиптической галактики M87, показывающий расстояние до центра галактики. График показывает, как измерения варьируются от большого гравитационного ускорения в центре галактики к низкому гравитационному ускорению в дальних внешних регионах. Изображение: Chris Mihos (Case Western Reserve University) / ESO.

Однако есть оговорка: газ. Многие галактик, вероятно, окружены диффузным облаком горячего газа, которое очень трудно наблюдать. Если бы было так, что вокруг молодых голубых спиральных галактик вряд ли газ, но старые красные эллиптические галактики живут в большом облаке газа – примерно такой же массы, как и сами звезды, – это могло бы объяснить разницу в RAR между двумя типами.

Для окончательного суждения о измеренной разнице нужно также измерить количество диффузного газа – и это именно то, что невозможно с помощью телескопов KiDS. Другие измерения были проведены для небольшой группы из примерно ста галактик, и эти измерения действительно обнаружили больше газа вокруг эллиптических галактик, но до сих пор непонятно, насколько репрезентативны эти измерения для 259 000 галактик, которые были изучены в ходе данного исследования.

Темная материя выигрывает?

Если окажется, что дополнительный газ не может объяснить разницу между двумя типами галактик, то результаты измерений легче понять с точки зрения частиц темной материи, чем с точки зрения альтернативных моделей гравитации. Но даже тогда вопрос еще не урегулирован.

Хотя измеренные разницы трудно объяснить с помощью MOND, Эрик Верлинде все еще видит выход для своей модели.

Верлинде: "Моя нынешняя модель применяемая только к статическим, изолированным, сферическим галактикам, поэтому нельзя ожидать, что она будет различать разные типы галактик. Я рассматриваю эти результаты как вызов и вдохновение для разработки асимметричной, динамической версии моей теории, в которой галактики с разной формой и историей могут иметь разное количество "видимой темной материи".

Поэтому даже после новых измерений спор между темной материей и альтернативными теориями гравитации еще не решен.

Со всем этим, новые результаты являются большим шагом вперед: если измеренная разница гравитации между двумя типами галактик является правильной, то окончательная модель, какая бы она ни была, должна быть достаточно точной, чтобы объяснить эту разницу. Это, в частности, означает, что многие имеющиеся модели могут быть отброшены, что значительно сузит круг возможных объяснений. Кроме того, новые исследования показывают, что необходимы систематические измерения горячего газа вокруг галактик.

Эдвин Валентийн формулирует это следующим образом: "Как астрономы-наблюдатели, мы дошли до точки, когда мы можем измерить дополнительную гравитацию вокруг галактик точнее, чем мы можем измерить количество видимой материи. Контринтуитивний вывод заключается в том, что мы должны сначала измерить присутствие обычной материи в виде горячего газа вокруг галактик, прежде чем будущие телескопы, такие как Евклид, смогут наконец разгадать тайну темной материи".

Исследование в журнале "Astronomy & Astrophysics" опубликовано в открытом доступе.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.