Представлены новые доказательства «модифицированной ньютоновской динамики» — гипотезы, выступающей альтернативой представлению о существовании во Вселенной «темной материи».
Когда в начале двадцатого века физики обнаружили странную потерю энергии при бета-распаде, Нильс Бор счел возможным предположить, что в данном случае нарушается «незыблемый» закон сохранения энергии. Однако верна оказалась гипотеза Вольфганга Паули об особой слабовзаимодействующей и потому труднообнаружимой частице нейтрино, уносящей энергетическую недостачу.
Астрономы в конце двадцатого века встали перед похожей дилеммой. Накопившиеся данные по движению галактик и звезд в них показали, что расчеты, основанные на предположении, что звезды составляют основную массу галактик, никак не согласуются с наблюдениями. Господствующее ныне объяснение этого факта в чем-то подобно гипотезе Паули: о существовании во Вселенной так называемой «темной материи», состоящей из неизвестных частиц, взаимодействующих с обычным веществом только посредством гравитации. Причем «темная материя» доминирует над обычным веществом — ее во Вселенной минимум в пять раз больше.
Сейчас у этой гипотезы много независимых доказательств — в частности, по гравитационным эффектам обнаружены целые облака темной материи, не связанные напрямую с галактиками. А физики ведут поиск гипотетических частиц темной материи — вимпов (от английского WeaklyInteractingMassiveParticle – «слабо взаимодействующая массивная частица»).
Однако, несмотря на весь массив доказательств существования темной материи, сторонники альтернативных гипотез не сдаются. Пожалуй, самая известная из них – это модифицированная ньютоновская динамика (MOND), созданная в 1983 году израильским ученым Мордехаем Милгромом. В нынешней версии она предполагает, что при сверхмалых ускорениях (ниже порога в 1,2х10-10 м/c2) гравитация действует «не по Ньютону», ускоряя объекты сильнее, чем по классическим уравнениям. Это позволяет «разгонять» звезды в галактиках без темной материи. Доказательства этой гипотезы ищут обычно в далеком космосе – однако эксперименты, пытающиеся обнаружить соответствующие эффекты, проводятся и на Земле.
В новой статье Милгром в соавторстве с американцем Стейси МакГо, еще недавно сторонником «темной материи», за доказательствами своей теории обратился к карликовым галактикам – спутникам Туманности Андромеды. Совсем недавно было обнаружено, что они образуют тонкий диск. Милгром не забывает упомянуть это открытие — и замечает, что в рамках MOND подобные системы возникают естественным образом, в то время как стандартная космологическая модель требует дополнительных предположений для объяснения этого явления.
Но новая работа посвящена не движению самих галактик-спутников вокруг Туманности Андромеды, а изучению разброса скоростей звезд внутри них. В статье строится математическая модель — как, согласно MOND, этот параметр должен зависеть от размера и массы галактики. После чего полученные результаты сравниваются с известными значениями разброса скоростей для семнадцати карликовых спутников Туманности Андромеды.
Но — не всё так просто. В модели оказывается слишком много неизвестных. Самое главное — мы не знаем точно массу галактик. Непосредственно можно измерить только их светимость. Авторы статьи сделали расчеты для нескольких приемлемых отношений массы к светимости – от одной до четырех масс Солнца на светимость Солнца. Сейчас астрофизики используют гораздо большие отношения массы к светимости – но, согласно MOND, основная масса галактик сосредоточена в звездах (несветящимися объектами вроде планет можно и пренебречь), а не в темной материи.
Кроме того, помимо тяготения самой карликовой галактики, на ее звезды может значимо действовать и внешнее гравитационное поле – других спутников или самой Туманности Андромеды. Так что для некоторых из галактик пришлось использовать две модели – с учетом и без учета внешних эффектов.
Еще одна трудность – в измерении относительных скоростей звезд в галактиках, удаленных от нас на два миллиона световых лет. На таком расстоянии мы можем наблюдать только красные гиганты – а у разных типов звезд могут быть разные скорости. Да и сами оценки разброса скоростей не очень точны.
Модель, однако, оказалась довольно хорошо согласующейся с данными по разбросу скоростей звезд во всех семнадцати исследованных карликовых галактиках. Правда, никакого строгого статистического анализа авторы не приводят. А учитывая большую неопределенность как наблюдений, так и предсказаний моделей, результаты выглядят несколько сомнительно. Но стоит отметить, что результаты, полученные в рамках MOND, оказываются, по крайней мере, ближе к наблюдательным данным, чем разбросы скоростей для этих галактик, ожидаемые, исходя из современных моделей формирования галактик, выполненных в парадигме темной материи.
Самое главное – в статье приведены расчетные данные для десяти карликовых галактик, для которых пока нет данных о разбросе скоростей. Так что – ждем новых наблюдений!
Статья принята к публикации в Astrophysical Journal
Материал к публикации подготовил Сергей Лысенков
