Учёные выяснили, что структура ближайших к Земле звёздных скоплений противоречит законам Ньютона и общей теории относительности Эйнштейна, но при этом подтверждает одну из альтернативных концепций гравитации, отрицающую тёмную материю. Это вызов всей системе взглядов на то, как устроена Вселенная.
Предположение о существовании вещества, которое невозможно обнаружить, впервые высказал 89 лет назад швейцарский астроном Фриц Цвикки. Он показал, что при той скорости, с которой галактики движутся, они должны разлетаться в стороны, однако этого не происходит.
Следовательно, есть ещё какая-то масса. Цвикки назвал её тёмной материей. По расчётам, во Вселенной её намного больше, чем обычной. Но она не отражает, не поглощает и не испускает свет, что делает её невидимой в любой части электромагнитного спектра.
Несколько десятилетий об этой гипотезе почти не вспоминали — до тех пор, пока американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд не выявили ту же закономерность внутри спиральной галактики Туманность Андромеды (М31), а затем и в десятках других спиральных галактик, включая Млечный Путь. Это произошло в 1970-м.
Согласно кеплеровской механике, скорость звёзд по мере удаления от галактического центра должна уменьшаться. Но выяснилось, что звёзды в центре и на периферии спиральных галактик движутся примерно одинаково. Как будто они связаны каким-то каркасом, грандиозным облаком с колоссальной массой. Учёные предположили, что в формировании галактических гравитационных полей участвуют частицы неизвестной природы, недоступные для прямого наблюдения. Та самая тёмная материя Цвикки.
Несмотря на многочисленные экспериментальные усилия, прямых доказательств её существования до сих пор нет. Тем не менее физики активно используют эту гипотезу для объяснения многих космических явлений: гравитационного линзирования — искривления света, идущего от далеких звёзд, распределения температуры горячего газа в галактиках, анизотропии микроволнового фона и других.
Во всех этих случаях речь идёт об отклонениях от классической теории гравитации. Впрочем, есть и те, кто считает, что все несоответствия можно снять. Были сотни попыток создания альтернативных теорий.
Модель модифицированной ньютоновской динамики (MOND — Modified Newtonian dynamics) разработал в 1982-м израильский физик Мордехай Милгром. Он предположил, что ускорение нелинейно зависит от массы и для малых ускорений закон всемирного тяготения не действует. Движение определяется не только собственной массой, но и массой окружающих объектов — это так называемый эффект внешнего поля.
Международная группа учёных во главе с Павлом Крупой из Боннского университета недавно опубликовала в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society результаты исследования звёзд в скоплениях.
Речь идёт о пяти ближайших к Земле скоплениях: Гиады, Ясли, Волосы Вероники, NGC 752 и COIN-Gaia 13. Все они состоят из молодых звёзд, образовавшихся из облаков пыли и газа. Согласно астрономическим данным, по мере движения такие скопления теряют звёзды под действием галактической гравитации.
У краёв скоплений возникают приливные хвосты — длинные тонкие структуры из звёзд и газа впереди и сзади по ходу движения. По классической теории гравитации, оба хвоста должны быть одинаковыми.
«Согласно законам тяготения Ньютона, то, в каком из хвостов окажется потерянная звезда — дело случая», — отмечает один из авторов исследования доктор Ян Пфламм-Альтенбург.
Однако во всех скоплениях в передних хвостах, которые находятся ближе к центру галактики, звёзд больше, чем в задних. Распределение хорошо укладывается в MOND, допускающую, что гравитация при слабых ускорениях сильнее, чем это следует из законов Ньютона.
«Проще говоря, согласно MOND, звёзды могут покинуть скопление через две разные двери. Одна ведёт к заднему приливному хвосту, другая — к переднему. По Ньютону, обе двери должны быть одинаковыми. На деле — первая намного уже второй», — объясняет профессор Крупа.
Кроме того, реальное время жизни рассеянных созвездий не превышает 50 процентов от рассчитанного по классической гравитационной модели. MOND предполагает, что избыток звёзд в переднем хвосте заставляет скопление замедляться и вращаться вокруг центра галактики по всё более вытянутой орбите, одновременно раскручиваясь в сторону, противоположную орбитальному вращению, что приводит к ускоренному распаду.
Ранее указывали и на другие подтверждения MOND. В частности, в 153 различных галактиках зафиксировали нелинейную зависимость орбитальной скорости звёзд и газа от расстояния до галактического центра. По мнению учёных, это может быть связано с эффектом внешнего поля, благодаря которому в сильных гравитационных полях объекты замедляются сильнее, чем в слабых. При таком подходе для объяснения устойчивости тёмной материи не требуется.
Тем не менее сами авторы исследования признают, что альтернативная теория гравитации объясняет лишь ограниченный круг явлений и к ней надо относиться весьма осторожно.
«Для доказательства необходимо нечто большее, чем несколько искривлённых звёздных скоплений. Если теория верна, неверны все расчёты, касающиеся формирования, движения галактик и их взаимодействия между собой. Придётся изобретать новую космологию», — подчёркивает Крупа.
Пока же большая часть фактов по-прежнему указывает на тёмную материю. А наиболее успешно процессы во Вселенной описывает общая теория относительности Эйнштейна (ОТО), постулирующая, что у гравитационных и инерциальных сил одна природа. Отсюда следует, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии.
Важнейшее подтверждение ОТО — экспериментальное обнаружение в 2016 году гравитационных волн, возникших при столкновении двух нейтронных звёзд. В 2017-м за это открытие присудили Нобелевскую премию по физике.