Тёмной материи никогда не существовало? Как звёзды на краю галактик разгоняет сама Вселенная

Законы классической физики требуют, чтобы скорость движения небесных тел падала по мере удаления от центра тяжести системы. В Солнечной системе эта закономерность прослеживается идеально: планеты подчиняются законам Кеплера. Меркурий, находящийся ближе всего к колоссальной массе Солнца, обращается по орбите со скоростью около сорока семи километров в секунду. Земля движется медленнее — около тридцати километров в секунду, а далекий Нептун преодолевает за секунду всего пять с половиной километров. Причина проста: гравитационное притяжение ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния. Чтобы удержаться на круговой орбите и не упасть на звезду, удаленному телу требуется меньшая центробежная сила, а значит, и меньшая скорость. Скорость падает обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра.

В семидесятых годах двадцатого века американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд применили оптическую спектроскопию для точного измерения скоростей движения внешних областей десятков спиральных галактик. Результат наблюдений вошел в прямое противоречие с классической теорией тяготения.

В центральных регионах галактик, где сконцентрирована основная масса видимых звезд, скорость обращения вещества растет по мере удаления от ядра, пока не достигает определенного максимума. Однако дальше, на громадных расстояниях от центра, где число звезд резко падает и гравитационное притяжение должно угасать, скорость движения звезд и газовых облаков не снижается. Вместо падения график скорости образует горизонтальную прямую — так называемую плоскую кривую вращения. Вещество на самых удаленных окраинах галактических дисков обращается вокруг центра с той же скоростью, что и в густонаселенных центральных областях — от ста пятидесяти до трехсот километров в секунду в зависимости от размера системы.

Если рассчитать гравитационный потенциал галактики на основе видимого вещества — звезд, планетных систем, пылевых скоплений и нейтрального газа, — выясняется, что этой массы недостаточно для удержания внешних областей. По всем законам механики центробежная сила должна была сорвать наружные рукава, рассеяв звезды в межгалактическом пространстве.

Чтобы спасти существующую теорию тяготения, астрофизика пошла по пути введения скрытой массы. Родилась гипотеза о том, что каждая видимая галактика погружена в массивное сферическое облако — гало из темной материи. Предполагается, что эта форма вещества не испускает света, не поглощает и не отражает электромагнитное излучение, проявляя себя исключительно через гравитационное притяжение. В общепринятой космологической модели на долю темной материи приходится около восьмидесяти пяти процентов всей массы Вселенной.

Однако полувековая программа прямых лабораторных поисков темной материи зашла в тупик. Глубоко под землей были построены сверхчувствительные детекторы на жидком ксеноне и аргоне, защищенные толщей горных пород от космического излучения, но они не зарегистрировали ни одного достоверного столкновения гипотетических частиц с атомами обычного вещества. Эксперименты на Большом адронном коллайдере в Женеве также не обнаружили следов новых тяжелых частиц, предсказанных теориями суперсимметрии.

В физике возник фундаментальный кризис: либо ученые ищут частицы, свойства которых невозможно проверить экспериментально, либо наши базовые законы тяготения не работают на галактических расстояниях.

Гипотеза Милгрома и скрытая связь с космологией

В 1983 году израильский теоретик Мордехай Милгром предложил радикальную альтернативу: не населять космос невидимыми частицами, а скорректировать сам второй закон Ньютона. Эта концепция получила название модифицированной ньютоновской динамики, или MOND.

Милгром заметил важную деталь: на внешних границах галактик гравитационные поля не просто ослаблены огромными расстояниями — там становятся исчезающе малыми сами ускорения, испытываемые звездами. В гравитационном поле Земли ускорение свободного падения составляет почти десять метров на секунду в квадрате. У орбиты Нептуна оно снижается до тысячных долей. Но на далекой периферии звездного диска галактики ускорение свободного падения звезд к общему центру падает ниже одной десятимиллиардной доли метра на секунду в квадрате.

Милгром выдвинул гипотезу: в природе существует абсолютный порог ускорения, составляющий примерно одну десятимиллиардную долю метра на секунду в квадрате.

Если тело движется с ускорением выше этого порога, работают привычные законы Ньютона: сила строго пропорциональна ускорению, а гравитация падает обратно пропорционально квадрату расстояния. Но когда ускорение падает ниже критического уровня, динамика движения перестраивается. Реальное ускорение становится пропорциональным квадратному корню из произведения обычного ньютоновского ускорения на введенную критическую величину.

Математическое следствие этой гипотезы оказалось поразительным. Если приравнять центростремительное ускорение круговой орбиты к новому модифицированному тяготению, расстояние от центра галактики в итоговом выражении полностью сокращается. Четвертая степень орбитальной скорости звезд оказывается прямо пропорциональна массе обычного видимого вещества галактики.

Формула Милгрома с высокой точностью объяснила два важнейших наблюдательных факта:

1. Скорость движения звезд на окраинах перестает зависеть от радиуса и выходит на постоянный уровень, формируя ту самую плоскую кривую вращения.
2. Высота этой постоянной скорости однозначно диктуется суммарной массой обычного барионного вещества галактики. Это математически вывело эмпирический закон Талли — Фишера, известный астрономам: чем больше видимая масса галактики, тем выше скорость обращения звезд на ее плато, причем эта связь строго подчиняется зависимости четвертой степени.

При всех эмпирических успехах MOND страдала от очевидного изъяна. Она представляла собой удобный математический рецепт, но не давала физического ответа на вопрос: почему законы механики должны меняться именно на этом числовом значении?

Более того, значение критического ускорения Милгрома подозрительно точно совпало с космологическими масштабами. По порядку величины оно равнялось произведению фундаментальной скорости света на постоянную Хаббла, которая определяет современную скорость расширения Вселенной. Точно такое же число получается, если разделить скорость света на текущий возраст Вселенной — около четырнадцати миллиардов лет.

В классической механике не было причин, по которым отдельная звезда на краю галактики должна выстраивать свою орбиту в согласии со скоростью расширения всего объема Вселенной. Порог ускорения считался неизменной константой, встроенной в природу без всякого физического обоснования.

Рубеж в один мегапарсек: слабое гравитационное линзирование

Возможности оптических и радиотелескопов ограничены: они способны отслеживать скорости только там, где есть светящиеся звезды или холодный водородный газ. Это позволяет изучать галактики на удалениях до ста или двухсот тысяч световых лет от центра. Дальше газовые облака рассеиваются, и вещество становится слишком разреженным для спектрального анализа.

Чтобы измерить силу гравитации на еще больших расстояниях, астрофизики используют метод слабого гравитационного линзирования. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, любая масса искривляет окружающее пространство, заставляя световые лучи отклоняться от прямолинейного пути. Если массивная галактика находится между земным наблюдателем и далекими фоновыми галактиками, ее гравитационное поле слегка искажает форму фоновых изображений.

В случае слабого линзирования искажения едва заметны — формы фоновых галактик вытягиваются вдоль касательных линий всего на доли процента. Однако статистическое усреднение снимков сотен тысяч галактик позволяет точно восстановить распределение гравитационного потенциала далеко за пределами видимых границ звездных систем.

В 2024 году группа европейских и американских астрофизиков под руководством Тобиаса Мистеле опубликовала результаты обработки обширного массива данных слабого линзирования. Ученые разделили галактики на четыре весовые категории (от тринадцати миллиардов до двухсот миллиардов масс Солнца) и восстановили эквивалентные круговые скорости движения на рекордных расстояниях — вплоть до одного мегапарсека, что составляет более трех миллионов световых лет. Это расстояние в десятки раз превосходит оптические размеры дисков.

Анализ показал: кривые вращения остаются абсолютно плоскими даже на масштабе мегапарсека. Гравитационное притяжение не демонстрирует кеплеровского спада даже на границах межгалактической пустоты.

Однако этот триумф привел к кризису теории MOND. Выяснилось, что данные наблюдений невозможно согласовать в рамках единого критического ускорения:

• Чтобы описать профиль круговых скоростей внутри галактических систем, критическое ускорение потребовалось зафиксировать на уровне одной целой двадцати одной сотой от базовой единицы.
• Чтобы описать предельные скорости на мегапарсековом плато, то же самое ускорение потребовалось увеличить до одной целой шести десятых.

Разница между двумя значениями составила три целых семь десятых стандартных отклонения. В математической статистике это означает системный сбой модели: фундаментальный параметр MOND, считавшийся неизменным законом природы, изменился при переходе от одного пространственного масштаба к другому.

Гиперконическая гравитация: физика кажущегося ускорения

Для преодоления этого тупика испанский физик-теоретик Роберт Монхо разработал теорию гиперконической модифицированной гравитации (HMG).

Подход HMG строится на пересмотре статуса уравнений общей теории относительности. В стандартной физике считается, что уравнения Эйнштейна применимы повсюду и описывают ткань пространства-времени как единое целое. Монхо выдвинул другое предположение: общая теория относительности работает строго локально. Она описывает локальные гравитационные возмущения, порожденные отдельной массой, но эти возмущения накладываются на общее фоновое пространство Вселенной, которое непрерывно расширяется во времени и обладает так называемой гиперконической геометрией.

Если математически описать движение тела в расширяющихся пространственных координатах, структура уравнений неизбежно усложняется. В метрике пространства-времени возникают перекрестные члены, связывающие изменение пространственного положения тела с ходом космического времени.

Физический смысл этих математических добавок заключается в том, что система отсчета, связанная с расширяющимся пространством, не является строго инерциальной. Когда наблюдатель следит за движением звезды из расширяющейся системы координат, само расширение пространства неизбежно привносит в расчеты дополнительное кинематическое ускорение.

Это ускорение не порождено реальными силовыми полями или скоплениями неизвестных субатомных частиц. Оно представляет собой кажущийся, фиктивный кинематический эффект — результат выбора системы отсчета в динамически меняющейся Вселенной.

Величина этого кажущегося космологического ускорения вычисляется строго теоретически: она равна удвоенной скорости света, деленной на современный возраст Вселенной и на безразмерный геометрический коэффициент, определяемый структурой пространства.

Если подставить в эту формулу физические величины — скорость света около трехсот тысяч километров в секунду и возраст Вселенной около четырнадцати миллиардов лет, — расчет дает величину порядка одной десятимиллиардной доли метра на секунду в квадрате.

Таинственный порог Милгрома перестает быть произвольной константой. Теория HMG показывает, что эта величина представляет собой прямое отражение скорости расширения Вселенной, спроецированное на локальную систему координат.

Механика перехода: от галактического ядра к космической пустоте

В теории HMG полное центробежное ускорение, удерживающее звезду или газовое облако на круговой орбите, складывается из двух составляющих: классического ньютоновского тяготения и дополнительного кинематического вклада от расширения пространства. Квадрат полного центробежного ускорения равен сумме квадрата обычного ньютоновского ускорения и произведения ньютоновского ускорения на новую космологическую величину.

В зависимости от расстояния до центра галактики физическая картина кардинально меняется:

1. В плотных внутренних областях, где сияет основная масса звезд, ньютоновское притяжение велико. Квадрат ньютоновского ускорения многократно превосходит второе слагаемое. Космологическая добавка оказывается ничтожно малой, и система строго подчиняется классической механике Ньютона и эйнштейновской теории относительности.
2. На далекой периферии, где плотность вещества падает, классическое притяжение видимой массы стремится к нулю. Первое слагаемое сходит на нет, и решающую роль начинает играть второе слагаемое. В этой области радиальная зависимость сокращается: скорость обращается в постоянную величину, зависящую только от массы видимого вещества и времени расширения Вселенной.

В развернутой версии теории — так называемой эпсилон-HMG — геометрический масштабный коэффициент перестает быть неподвижным числом. Он рассчитывается как динамический параметр, отражающий соотношение между круговой скоростью движения вещества под действием локальной массы и скоростью общего расширения окружающего пространства (хаббловским потоком).

На внешних границах галактики наступает динамический баланс: собственное притяжение звездной системы сравнивается по силе с темпом расширения внешнего пространства. Этот рубеж напрямую зависит от средней плотности материи в окружении галактики на расстояниях от ста пятидесяти до шестисот тысяч световых лет.

Когда Роберт Монхо сопоставил модель эпсилон-HMG с данными слабого гравитационного линзирования группы Мистеле, статистический разрыв исчез:

• Стандартная модель MOND при попытке описать профиль круговых скоростей дала значение критерия согласия тридцать одну целую и три десятых, что в математической статистике указывает на серьезное несовпадение теоретической кривой с реальными точками измерений.
• Модель эпсилон-HMG снизила этот показатель до семнадцати с половиной единиц. Чем меньше эта величина, тем точнее совпадение теории с результатами наблюдений.

Теория воспроизвела форму кривых вращения как для спиральных галактик с активным звездообразованием, так и для массивных эллиптических систем вплоть до расстояний в один мегапарсек, не требуя ни грамма темной материи и не раздваивая физические константы.

Кроме того, модель объяснила, почему кривые вращения галактик практически не меняются при взгляде на системы с большим космологическим красным смещением, существовавшие миллиарды лет назад. Внутри гравитационно связанных объектов само пространство не расширяется — гравитация надежно фиксирует физические размеры системы. Влияние глобального расширения Вселенной проявляется только на далеких внешних границах, поэтому величина кажущегося ускорения остается почти постоянной на протяжении всей обозримой космической истории.

Главные уязвимости теории

Несмотря на математическую стройность при описании слабого линзирования, модель HMG пока нельзя назвать окончательной заменой темной материи. Ей предстоит выдержать три фундаментальные проверки, на которых спотыкались все предыдущие альтернативные теории гравитации.

Проблема устойчивости галактических дисков

Спиральные галактики обладают относительно тонкими плоскими дисками из звезд и межзвездного газа. В 1973 году американские физики Джереми Острикер и Джим Пиблс доказали фундаментальный закон звездной динамики: быстро вращающийся плоский диск, состоящий исключительно из обычного барионного вещества, гравитационно неустойчив.

В компьютерных симуляциях диск без внешней поддержки быстро теряет форму: под действием собственного притяжения в нем за пару оборотов нарастают деформации, в центре возникает вытянутая звездная перемычка (бар), после чего спиральная структура распадается, а диск раздувается во все стороны.

В стандартной космологии эту проблему решает невидимая масса: галактический диск погружен в массивное сферическое гало темной материи. Это гало создает мощный внешний гравитационный фундамент, который сдерживает внутренние возмущения и сохраняет спиральные рукава стабильными на протяжении миллиардов лет.

В модели HMG темная материя отсутствует. Способно ли кажущееся кинематическое ускорение, порожденное расширением пространства, предотвратить распад диска — пока неизвестно. Чтобы доказать это, требуются сложнейшие численные симуляции взаимодействия миллиардов гравитирующих тел.

Загадка галактического разнообразия

Любая теория модифицированной гравитации обязана объяснить, почему астрономические объекты с одинаковой массой видимого вещества ведут себя по совершенно разным динамическим сценариям.

Астрономам известны ультратусклые карликовые галактики, удерживающие вокруг Млечного Пути лишь несколько тысяч тусклых звезд. Если рассчитывать их поведение по законам ньютоновской механики, выяснится, что скорости движения их звезд требуют нереального количества скрытой массы: отношение темной материи к видимой в них доходит до нескольких тысяч к одному.

В то же время существуют шаровые звездные скопления, которые имеют сопоставимую массу и близкие размеры, но скорости звезд в них безупречно подчиняются стандартному закону всемирного тяготения Ньютона. В них нет никаких признаков скрытой массы или измененных законов тяготения.

Ситуацию обострило недавнее открытие ультрадиффузных галактик, ярким примером которых служит объект NGC 1052-DF2. Точные измерения показали, что скорость движения звездных скоплений внутри этой галактики строго соответствует массе видимых звезд. В ней вообще нет дефицита массы — она ведет себя так, словно темной материи в ней нет, а гравитация остается чисто ньютоновской.

Если закон тяготения меняется универсально для всей Вселенной каждый раз, когда ускорение падает ниже порогового значения, он должен одинаково действовать на любые объекты. Модель HMG связывает силу эффекта с плотностью внешнего окружения, но авторам еще предстоит строго доказать, способна ли межгалактическая среда объяснить столь контрастные различия между соседними звездными системами.

Столкновения скоплений и космический микроволновый фон

Главным аргументом в пользу физической реальности темной материи остаются гигантские космические катастрофы — столкновения галактических скоплений, хрестоматийным примером которых служит скопление Пуля.

Это скопление возникло при лобовом ударе двух скоплений галактик. При этом различные типы материи разделились:

• Основная масса видимого вещества скоплений сосредоточена не в отдельных галактиках, а в колоссальных облаках раскаленного межгалактического газа. При столкновении газовые облака ударились друг о друга, затормозились и застряли в центральной зоне столкновения, испуская мощное рентгеновское свечение, зафиксированное орбитальными телескопами.
• Сами галактики, разделенные колоссальными пустотами, пролетели сквозь зону удара без столкновений, продолжив движение по инерции.
• Когда астрофизики применили слабое гравитационное линзирование для картирования реального гравитационного потенциала системы, выяснилось, что центры тяжести скоплений сместились вслед за пролетевшими галактиками, оставив позади затормозившийся газ.

В теории темной материи это объясняется естественно: частицы темной материи не взаимодействуют друг с другом через давление и трение, поэтому они беспрепятственно пролетели зону столкновения насквозь вместе с галактиками, унеся с собой основную гравитационную массу.

Для любой модифицированной теории гравитации, где темная материя исключена, смещение гравитационного центра относительно основной светящейся массы газа представляет собой колоссальную проблему, поскольку гравитационный потенциал обязан совпадать с положением видимого вещества.

Наконец, существует картина реликтового излучения — теплового эха Большого взрыва, картографированного космической обсерваторией «Планк». Пики плотности в распределении температуры реликтового излучения отражают звуковые волны в первородной плазме ранней Вселенной. Относительные высоты этих пиков с исключительной математической точностью требуют наличия во Вселенной именно тяжелой, не взаимодействующей со светом холодной материи. Теории HMG только предстоит доказать, способна ли ее геометрия повторить форму этого спектра.

Новая оптика фундаментальной физики

Теория гиперконической гравитации предлагает фундаментальный сдвиг перспективы в одном из главных научных споров современности.

Вместо многолетних бесплодных попыток зафиксировать гипотетические субатомные частицы в подземных ловушках и вместо введения искусственных математических поправок модель Роберта Монхо обращается к свойствам самого пространства-времени. Она демонстрирует, что аномально высокие скорости вращения галактик и гравитационные искажения света на дистанциях в миллионы световых лет могут быть естественным кинематическим эффектом: локальные звездные системы неизбежно несут на себе отпечаток расширения всей окружающей Вселенной.

Критическое ускорение на окраинах галактик в рамках такого подхода перестает быть случайным подгоночным числом и становится закономерным отражением возраста космоса и фундаментальной скорости света.

Окончательный вердикт теории HMG вынесут астрономические наблюдения ближайших лет. Космический телескоп «Евклид» и строящаяся обсерватория имени Нэнси Грейс Роман передадут на Землю данные по слабому гравитационному линзированию миллиардов далеких галактик с беспрецедентной точностью. Если детальный анализ этих огромных массивов подтвердит кинематическую природу наблюдаемого ускорения, астрофизика сможет пересмотреть фундаментальные представления о том, как взаимосвязаны локальное движение звезд и глобальная эволюция Вселенной.

Источник: arXiv