Чи темна матерія справді існує, чи ми неправильно розуміємо гравітацію?

Вже багато років астрономи та фізики знаходяться у стані конфлікту. Чи є таємнича темна матерія, яку ми спостерігаємо глибоко у Всесвіті, реальною, чи те, що ми бачимо, є результатом незначних відхилень від законів гравітації, наскільки ми їх знаємо?

Про це розповідають в Амстердамському університеті (UvA).

У 2016 році голландський фізик Ерік Верлінде запропонував теорію другого виду: ентропійна (або емерджентна) гравітація.

Нове дослідження, опубліковане на цьому тижні у журналі "Astronomy & Astrophysics", розширює межі спостережень темної матерії до невідомих зовнішніх областей галактик, і при цьому переоцінює кілька моделей темної матерії та альтернативних теорій гравітації.

Вимірювання гравітації 259 000 ізольованих галактик показують дуже тісний взаємозв′язок між вкладом темної матерії та вкладом звичайної матерії, як передбачається в теорії ентропійної гравітації Верлінде та альтернативної моделі під назвою Модифікована ньютонівська динаміка. Однак, схоже, результати також узгоджуються з комп′ютерним моделюванням Всесвіту, яке передбачає, що темна матерія є "реальною речовиною".

Нове дослідження було проведено міжнародною командою астрономів на чолі з Марго Браувер з Університету Гронінгена (RUG) та UvA. Також важливі ролі зіграли Кайл Оман (RUG і Даремський університет) та Едвін Валентійн (RUG). У 2016 році Брауер також провела першу перевірку ідей Верлінде; цього разу до дослідницької групи приєднався і сам Верлінде.

Матерія чи гравітація?

Дотепер темна матерія ніколи не спостерігалася безпосередньо – звідси й назва. Те, що астрономи спостерігають на нічному небі, – це наслідки потенційної присутньості матерії: вигинання зоряного світла, зірки, які рухаються швидше, ніж очікувалося, і навіть вплив на рух цілих галактик. Без сумніву, усі ці ефекти спричинені гравітацією, але питання полягає в тому: чи ми справді спостерігаємо додаткову гравітацію, спричинену невидимою матерією, чи самі закони гравітації – це те, що ми ще не повністю зрозуміли?

Щоб відповісти на це питання, нове дослідження використовує метод, подібний до методу, який використовувався в оригінальному тесті у 2016 році. Брауер та її колеги використовують безперервну серію фотографічних вимірювань, розпочату десять років тому: KiloDegree Survey (KiDS), що проводяться з використанням Дуже великого телескопа (VLT) Європейської південної обсерваторії в Чилі. У ході цих спостережень вимірюється те, як зоряне світло з далеких галактик згинається під дією гравітації на шляху до наших телескопів. Якщо у 2016 році вимірювання таких "ефектів лінзи" охоплювали область нічного неба лише на площі близько 180 квадратних градусів, то відтоді ця область була збільшена до приблизно 1000 квадратних градусів – що дозволило дослідникам виміряти розподіл гравітації приблизно у мільйоні різних галактик.

Порівняльне тестування

Брауер та її колеги відібрали понад 259 000 ізольованих галактик, для яких їм вдалося виміряти так зване "співвідношення радіального прискорення" (RAR). Цей RAR порівнює кількість гравітації, очікувану на основі видимої матерії в галактиці, із кількістю гравітації, яка насправді присутня – іншими словами: результат показує, скільки існує "додаткової" гравітації, крім тієї, що обумовлена нормальною матерією. До цього часу кількість додаткової гравітації визначалася лише у зовнішніх регіонах галактик шляхом спостереження за рухом зірок, і у регіоні, приблизно в п’ять разів більшому, шляхом вимірювання швидкості обертання холодного газу.

Використовуючи гравітаційні ефекти лінзування, тепер дослідники змогли визначити RAR із гравітаційними силами, які були у сто разів меншими, що дозволило їм проникнути набагато глибше в регіони, що знаходяться далеко за межами окремих галактик.

Це дозволило надзвичайно точно виміряти додаткову гравітацію – але чи ця гравітація є результатом невидимої темної матерії, чи нам потрібно покращити наше розуміння самої гравітації?

Автор дослідження Кайл Оман вказує, що припущення про її "реальність" принаймні частково працює: "У нашому дослідженні ми порівнюємо результати вимірювання з чотирма різними теоретичними моделями: дві, які передбачають існування темної матерії і лежать в основі комп′ютерних моделювань нашого Всесвіту, та дві, які модифікують закони гравітації – модель ентропійної гравітації Еріка Верлінде і так звана "Модифікована ньютонівська динаміка" або MOND".

"Одне з двох моделювань темної матерії, MICE, робить передбачення, які дуже добре відповідають нашим вимірюванням. Для нас стало несподіванкою, що інше моделювання, BAHAMAS, призвело до зовсім інших передбачень. Те, що передбачення двох моделей взагалі відрізнялися, вже здивувало, оскільки моделі настільки схожі. Але більш того, ми очікувати, що якщо з’явиться різниця, BAHAMAS спрацює краще".

"BAHAMAS – це набагато детальніша модель, ніж MICE, вона набагато ближче підходить до нашого нинішнього розуміння того, як формуються галактики у Всесвіті з темною матерією. Одначе, MICE працює ефективніше, якщо порівняти її передбачення з нашими вимірами. Надалі, спираючись на наші висновки, ми хочемо додатково дослідити, що спричиняє відмінності між моделюванням".

Молоді та старі галактики

Таким чином, здається, що принаймні одна модель темної матерії справді працює. Однак альтернативні моделі гравітації також передбачають виміряний RAR. Видимо є протистояння – тож як же ми дізнаємось, яка модель правильна?

Марго Брауер, яка очолювала дослідницьку групу, продовжує: "На основі наших тестів, наш початковий висновок був таким, що дві альтернативні моделі гравітації та MICE досить добре узгоджуються зі спостереженнями. Однак найцікавіше було ще попереду: оскільки ми мали доступ до понад 259 000 галактик, ми могли розділити їх на кілька типів – відносно молоді, блакитного кольору спіральні галактики проти порівняно старих, червоних еліптичних галактик".

Ці два типи галактик виникають дуже по-різному: червоні еліптичні галактики утворюються при взаємодії різних галактик, наприклад, коли дві блакитні спіральні галактики проходять близько повз одна одну або навіть зіштовхуються. Як результат, в рамках теорії частинок темної матерії очікується, що співвідношення між регулярною та темною матеріями в різних типах галактик може змінюватися.

Моделі, такі як теорія Верлінде та MOND, з іншого боку, не використовують частинки темної матерії, і тому прогнозують фіксоване співвідношення між очікуваною та виміряною гравітацією у двох типах галактик – тобто незалежно від їх типу. Брауер: “Ми виявили, що RAR для двох типів галактик суттєво відрізнялися. Це було б сильним натяком на існування темної матерії як частинки".

Графік, що відображає співвідношення радіального прискорення (RAR). Фон - зображення еліптичної галактики M87, що показує відстань до центру галактики. Графік показує, як вимірювання варіюються від великого гравітаційного прискорення в центрі галактики до низького гравітаційного прискорення в далеких зовнішніх регіонах. Зображення: Chris Mihos (Case Western Reserve University) / ESO.

Однак є застереження: газ. Багато галактик, ймовірно, оточені дифузною хмарою гарячого газу, яку дуже важко спостерігати. Якби було так, що навколо молодих блакитних спіральних галактик навряд чи є газ, але старі червоні еліптичні галактики живуть у великій хмарі газу – приблизно такої ж маси, як і самі зірки, – то це могло б пояснити різницю в RAR між двома типами.

Для остаточного судження про виміряну різницю потрібно також виміряти кількість дифузного газу – і це саме те, що неможливо за допомогою телескопів KiDS. Інші вимірювання були проведені для невеликої групи із приблизно ста галактик, і ці виміри справді виявили більше газу навколо еліптичних галактик, але досі незрозуміло, наскільки репрезентативні ці вимірювання для 259 000 галактик, які були вивчені в ході даного дослідження.

Темна матерія виграє?

Якщо виявиться, що додатковий газ не може пояснити різницю між двома типами галактик, то результати вимірювань легше зрозуміти з точки зору частинок темної матерії, ніж з точки зору альтернативних моделей гравітації. Але навіть тоді питання ще не врегульоване.

Хоча виміряні різниці важко пояснити за допомогою MOND, Ерік Верлінде все ще бачить вихід для власної моделі.

Верлінде: "Моя нинішня модель застосовувана лише до статичних, ізольованих, сферичних галактик, тому не можна очікувати, що вона буде розрізняти різні типи галактик. Я розглядаю ці результати як виклик і натхнення для розробки асиметричної, динамічної версії моєї теорії, в якій галактики з різною формою та історією можуть мати різну кількість "видимої темної матерії".

Тому навіть після нових вимірювань суперечка між темною матерією та альтернативними теоріями гравітації ще не вирішена.

Зі всім цим, нові результати є великим кроком вперед: якщо виміряна різниця гравітації між двома типами галактик є правильною, то остаточна модель, яка б вона не була, повинна бути досить точною, щоб пояснити цю різницю. Це, зокрема, означає, що багато наявних моделей можуть бути відкинуті, що значно звузить коло можливих пояснень. Крім того, нові дослідження показують, що необхідні систематичні вимірювання гарячого газу навколо галактик.

Едвін Валентійн формулює це наступним чином: "Як астрономи-спостерігачі, ми дійшли до точки, коли ми можемо виміряти додаткову гравітацію навколо галактик точніше, ніж ми можемо виміряти кількість видимої матерії. Контрінтуїтивний висновок полягає в тому, що ми повинні спочатку виміряти присутність звичайної матерії у вигляді гарячого газу навколо галактик, перш ніж майбутні телескопи, такі як Евклід, зможуть нарешті розгадати таємницю темної матерії".

Дослідження в журналі "Astronomy & Astrophysics" опубліковано у відкритому доступі.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.