Физики призвали «закрыть» темную материю

Новая работа в Symmetry сосредотачивает внимание на том, что наблюдаемые типичные галактические структуры, кажется, несовместимы с наличием темной материи в галактиках. Как полагают в связи с этим авторы исследования, ее там и нет, а наблюдаемые странности во вращении галактических дисков указывают на то, что мы неправильно понимаем природу гравитации. Статья с новой стороны подходит к показу некорректности стандартной космологической модели, предлагая вместо нее разновидность МОНД — гипотезы модифицированной ньютоновской динамики, согласно которой закон всемирного тяготения просто не работает для малых ускорений.

Около полувека назад астрономы получили надежные наблюдательные данные о том, что диски галактики — и нашей тоже — ведут себя ненормально. В Солнечной системе чем дальше планета от светила, тем медленнее она следует по траектории вокруг него. Судя по известным данным об экзопланетах, так же дело обстоит в других планетных системах. А вот в галактиках вместо этого скорость вращения звезд в краях галактических дисков (относительно галактических центров) примерно та же, что у самого ядра. Из этого был сделан вывод, что есть какие-то невидимые — во всех диапазонах — объекты, окружающие галактики, которые своим тяготением раскручивают края этих дисков.

Наличие подобной «темной материи» упрощало и понимание результатов наблюдений за неоднородностью Вселенной. Данные гравитационного линзирования тоже указывали на то, что многие галактики имеют массу выше той, и это следует из наблюдений за ними в оптическом или любом другом диапазоне.

Такая гипотеза «темной материи» была логичной, но требовала объяснения, что же это такое. Десятки лет физики предполагали, что это некие экзотические частицы-вимпы, имеющие массу, но не взаимодействующие с фотонами всех видов излучения. Проблемой оказалось то, что подобные частицы ни в каких экспериментах не обнаруживались.

В 1983 году предложили иной подход к решению проблемы — MOND, модифицированная ньютоновская динамика. Согласно ей, на краях галактических дисков, где действие гравитации материи из ядра галактики ослабевает (в силу огромных удалений от него), закон всемирного тяготения изменяется — причем так, что объекты в таких зонах могут двигаться вокруг центра галактик намного быстрее, чем позволяет стандартное представление о гравитации. Проблемой MOND, однако, было то, что она плохо объясняла динамику в скоплениях и сверхскоплениях галактик. Там больше было похоже на то, что все же есть некая невидимая масса — иначе объяснить движения крупных скоплений галактик было сложно.

Авторы новой работы предложили что-то вроде гибридного подхода с сильным перевесом в сторону MOND. По их мнению, логично предположить, что легкое стерильное нейтрино имеет массу. Стерильным называют такую гипотетическую разновидность нейтрино, которое не просто очень слабо взаимодействует с веществом, как нейтрино обычное, а вообще с ним не взаимодействует, кроме как гравитационно. На сегодня показано, что если такие частицы и есть, то их масса ниже сотен электронвольт. Следовательно, они не могут дать Вселенной столько массы, чтобы «закрыть» всю потребность в темной материи.

Исследователи попытались объяснить «немондовскую» динамику в скоплениях галактик за счет того, что стерильные нейтрино все же есть, просто их масса мала — ниже сотен электронвольт — и влияет на положение дел лишь на больших масштабах, например в скоплениях. А вот на масштабах галактик все хорошо предсказывает и MOND.

Ученые делают вывод, что их вариант имеет больше предсказательной силы, чем стандартная космологическая модель. Последняя указывает, что динамика краев дисков в разных галактиках может быть разной, поскольку эволюция той или иной галактики способна различаться. В итоге и количество темной материи в одной может быть меньше, чем в другой (NS писал о таких случаях здесь).

С точки зрения авторов новой работы, то, что MOND не нуждается в учете эволюции каждой галактики, говорит о ее «большей предсказательной силе». При этом для случаев, когда MOND не объясняет скорость движения краев галактик («галактики без темной материи», в рамках стандартной космологической теории), исследователи предполагают некую «недостаточность данных».

Работа интересна тем, что поднимает действительно острые проблемы. Например, ее авторы правы, когда отмечают: спиральные галактики с перемычкой указывают на то, что в самих галактических дисках темной материи практически нет. Перемычкой («баром») в спиральной галактике называют область из ярких звезд, выходящую из галактического центра и пересекающей галактику посередине. Она есть у двух третей спиральных галактик, включая наш Млечный Путь.

Перемычки вращаются, и если бы галактики были обладателями большого количества темной материи, она замедляла их со временем. Однако у большинства спиральных галактик с перемычками замедления не происходит. Это достаточно серьезный аргумент в пользу того, что в самой галактике темной материи нет.

Следует отметить, что ряд исследователей предлагают другие пути решения проблемы темной материи — без модификации закона всемирного тяготения. Например, Николай Горькавый, опираясь на данные LIGO, указывает на наличие во Вселенной большого числа черных дыр средних масс. Он отмечает, что шаровые скопления из таких объектов могут играть роль темной материи, не требуя ни модификации гравитационных законов, ни введения неких экзотических и никакими способами не регистрируемых элементарных частиц типа вимпов или стерильных нейтрино.