Умерла ли главная конкурирующая теория темной материи? Космический корабль Кассини и другие недавние испытания могут сделать MOND недействительным

Одна из самых больших загадок современной астрофизики заключается в том, что силы в галактиках, похоже, не складываются. Галактики вращаются гораздо быстрее, чем предполагалось, если применить закон гравитации Ньютона к их видимой материи, несмотря на то, что эти законы хорошо работают повсюду в Солнечной системе.

Чтобы предотвратить разлет галактик, необходима некоторая дополнительная гравитация. Именно поэтому впервые была предложена идея невидимой субстанции, называемой темной материей. Но никто никогда не видел этого материала. И в чрезвычайно успешной Стандартной модели физики элементарных частиц нет частиц, которые могли бы быть темной материей — это должно быть что-то весьма экзотическое.

Это привело к появлению конкурирующей идеи о том, что галактические расхождения вызваны нарушением законов Ньютона. Самая успешная такая идея известна как динамика Милгрома или МОНД, предложенная израильским физиком Мордехаем Милгромом в 1982 году. Но наши недавние исследования показывают, что эта теория находится под угрозой.

Главный постулат МОНД заключается в том, что гравитация начинает вести себя иначе, чем ожидал Ньютон, когда она становится очень слабой, как на краях галактик. MOND весьма успешно предсказывает вращение галактик без использования темной материи, и у него есть еще несколько успехов. Но многие из них можно объяснить и темной материей, сохраняя законы Ньютона.

Так как же нам подвергнуть MOND окончательному тестированию? Мы добиваемся этого уже много лет. Ключевым моментом является то, что MOND меняет поведение гравитации только при небольших ускорениях, а не на определенном расстоянии от объекта. На окраинах любого небесного объекта — планеты, звезды или галактики — вы почувствуете меньшее ускорение, чем когда вы находитесь близко к нему. Но именно величина ускорения, а не расстояние, предсказывает, где гравитация должна быть сильнее.

Это означает, что, хотя эффекты MOND обычно проявляются на расстоянии нескольких тысяч световых лет от галактики, если мы посмотрим на отдельную звезду, эффекты станут весьма значительными на расстоянии одной десятой светового года. Это всего лишь в несколько тысяч раз больше астрономической единицы (а.е.) — расстояния между Землей и Солнцем. Но более слабые эффекты МОНД также должны быть обнаружены и в еще меньших масштабах, например, во внешней Солнечной системе.

Это подводит нас к миссии Кассини, которая вращалась вокруг Сатурна в период с 2004 года и до своего последнего огненного столкновения с планетой в 2017 году. Сатурн вращается вокруг Солнца на расстоянии 10 а.е. Из-за причуды MOND гравитация остальной части нашей галактики должна привести к небольшому отклонению орбиты Сатурна от ньютоновского ожидания.

Это можно проверить, синхронизируя радиоимпульсы между Землей и Кассини. Поскольку Кассини вращался вокруг Сатурна, это помог измерить расстояние Земля-Сатурн и позволил нам точно отслеживать орбиту Сатурна. Но «Кассини» не обнаружил никаких аномалий, подобных ожидаемым в МОНД. Ньютон по-прежнему хорошо работает для Сатурна.

Один из нас, Гарри Десмонд, недавно опубликовал исследование в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества который исследует результаты более глубоко. Возможно, MOND соответствовал бы данным Кассини, если бы мы изменили способ расчета масс галактик по их яркости? Это повлияет на то, какой импульс гравитации должен обеспечить MOND, чтобы соответствовать моделям вращения галактики, и, следовательно, на то, чего нам следует ожидать от орбиты Сатурна.

Другая неопределенность — это гравитация окружающих галактик, которая оказывает незначительное влияние. Но исследование показало, что, учитывая то, как MOND должен работать, чтобы соответствовать моделям вращения галактик, он не может также соответствовать результатам радиослежения Кассини — независимо от того, как мы корректируем расчеты.

При стандартных предположениях, которые астрономы считают наиболее вероятными, и с учетом широкого спектра неопределенностей, вероятность того, что MOND совпадет с результатами Кассини, такая же, как если бы подброшенная монета упала орлом 59 раз подряд. Это более чем в два раза превышает золотой стандарт «5 сигм» для научного открытия, что соответствует примерно 21 подбрасыванию монеты подряд.

Еще плохие новости для MOND

Это не единственная плохая новость для MOND. Еще одно испытание представляют собой широкие двойные звезды — две звезды, которые вращаются вокруг общего центра на расстоянии нескольких тысяч астрономических единиц. МОНД предсказанный что такие звезды должны вращаться вокруг друг друга на 20% быстрее, чем ожидалось по законам Ньютона. Но один из нас, Индранил Баник, недавно провел очень подробное исследование, которое показало, что Правила в сторону это предсказание. Вероятность того, что MOND окажется прав, учитывая эти результаты, такая же, как если бы монета выпала на честном рынке 190 раз подряд.

Результаты еще одной команды показывают, что MOND также терпит неудачу для объяснения малых тел в далекой внешней Солнечной системе. Кометы, прилетающие оттуда, имеют гораздо более узкое распределение энергии, чем предсказывает MOND. Эти тела также имеют орбиты, которые обычно лишь слегка наклонены к плоскости, вблизи которой вращаются все планеты. MOND приведет к тому, что наклоны будут намного больше.

Ньютоновская гравитация предпочтительнее MOND на масштабах длины менее светового года. Но MOND также терпит неудачу в масштабах, больших, чем галактики: он не может объяснить движения внутри скоплений галактик. Темная материя была впервые предложена Фрицем Цвикки в 1930-х годах для объяснения хаотичных движений галактик внутри скопления Комы, для удержания которого требуется большая гравитация, чем может обеспечить видимая масса.

МОНД также не может обеспечить достаточную гравитацию, по крайней мере, в центральных областях скоплений галактик. Но на их окраине МОНД предоставляет слишком сила тяжести. Если вместо этого предположить, что ньютоновская гравитация, в которой темной материи в пять раз больше, чем обычной, кажется, обеспечивает хорошо подходит к данным.

Однако стандартная космологическая модель темной материи не идеальна. Есть вещи, которые он пытается объяснить, от скорости расширения Вселенной до гигантских космических структур. Так что, возможно, у нас еще нет идеальной модели. Кажется, что темная материя никуда не денется, но ее природа может отличаться от того, что предполагает Стандартная модель. Или гравитация действительно может быть сильнее, чем мы думаем, но только в очень больших масштабах.

Однако в конечном итоге МОНД в его нынешней формулировке больше не может считаться жизнеспособной альтернативой темной материи. Нам это может не нравиться, но темная сторона все еще господствует.