Space

Чи може темна матерія зовсім не існувати?

Кажуть, що темної матерії найбільше уВсесвіту (якщо говорити про матерії взагалі). І все ж у повсякденному житті ми з нею практично не стикаємося. Ми знаємо Сонце - найпотужніший об'єкт в Сонячній системі - воно складається зі звичайної матерії (протонів, нейтронів і електронів), але є ще маса інших джерел, включаючи планети, газ, пил, плазму і останки зірок. Темної матерії серед них немає - і навіть Стандартна модель не описує її частинок. Звичайно, темна матерія - не єдиний варіант пояснити спостережувані гравітаційні явища у Всесвіті. Інший варіант - модифікувати теорію гравітації, що намагалися зробити вже дуже багато. На цьому грунті виросла ідея Модифікованій ньютонівської динаміки (MOND) та інші теорії, які поки є популярними альтернативами темної матерії.

Щоб з чогось почати, нам потрібно повернутися в1800-і роки і поговорити про проблему, яка існувала задовго до «зниклої маси» (або «зниклого світу»), яку намагаються вирішити темна матерія і MOND: проблеми Урана і Меркурія. Закон всесвітнього тяжіння, висунутий Ньютоном ще в 1600-і роки, був неймовірно успішним в описі всього - наскільки нам відомо - до чого застосовувався. Від руху снарядів до котяться об'єктів; від ваги об'єктів до цокання маятникових годин; від плавучості човни до орбіти Місяця навколо Землі, сила тяжіння Ньютона ніколи не підводила.

Три закони Кеплера, особливий випадок гравітаційної формули Ньютона, застосовувався до всіх відомих планет в однаковій мірі:

  • Планети рухаються по еліпсам з Сонцем в одному з фокусів.
  • Кожна планета рухається в площині, що проходить через центр Сонця, причому за рівні проміжки часу радіус-вектор, що з'єднує Сонце і планету, описує рівні площі.
  • Квадрати періодів обертання планет навколо Сонця відносяться як куби великих піввісь орбіт планет.

  • Відомі внутрішні і зовнішні світи всепідпорядковувалися цим законам, так що ніяких відхилень не виявляли сотні років. Але з відкриттям Урана в 1781 році щось змінилося. У той час як остання з відкритих планет рухалася по еліпсу навколо Сонця, вона рухалася з неправильною швидкістю, якщо порівнювати з передбаченою законами тяжіння.

    У перші 20 років з моменту відкриття вона рухаласяшвидше, щоночі і щороку, ніж наказували закони. Протягом наступних 20-25 років планета рухалася в точній відповідності законам. Але потім сповільнювалася, і швидкість падала нижче прогнозованої.

    Чи була помилка в законі тяжіння? Можливо. Але також можливо, що було трохи більше матерії - чогось невидимого, темної матерії - яка впливала на Уран, викликаючи порушення в його орбіті. Це вже більше схоже на правду. Після теоретичний війни між Урбеном Леверье і Джоном Коучем Адамсом, які працювали незалежно і робили прогнози щодо місця розташування нової планети, прогнози Леверье підтвердив Йоганн Галле і його помічник Генріх д'Арре 23 вересня 1846 року. Була виявлена ​​планета Нептун, перший об'єкт, існування якого було виведено з ефектів, що надаються його масою: гравітаційним впливом.

    З іншого боку, внутрішня планета Меркурій -завдяки підвищенню точності спостережень і в поєднанні з віковими даними - почала демонструвати ще більш дивне порушення законів гравітації. Якщо закони Кеплера передбачали, що планети повинні рухатися по ідеальним еліпсам з Сонцем в одному з фокусів, то за умови, що немає інших мас, які порушують або впливають на систему. Але мас навколо немає, а Меркурій НЕ рухається по ідеальному еліпсу. Його еліпс прецессирует з плином часу.

    Використовуючи закони тяжіння Ньютона, ми могли бврахувати вплив всіх відомих планет (в тому числі і Нептуна). Проробивши все це, ми виявили б, що залишається невелике розходження між передбаченим і спостережуваним: прецесія в 43 »на століття, або 0,012 градуса на сторіччя. Але це не було випадковістю.

    Яким же буде пояснення на цей раз? Чи пов'язана ця нова невидима маса з надрами Меркурія? Або ж реальна проблема закралася в закон гравітації? Ґрунтовні пошуки відповіді на це питання привели до нової теоретичної планеті Вулкан, яка повинна була бути ближче до Сонця, ніж всі інші. Але ніякого Вулкана не знайшли. Рішення прийшло в 1915 році, коли Ейнштейн виклав свою загальну теорію відносності.

    Тепер промотали час до 1970-х років - до рядунаукових спостережень Віри Рубін. Ми спостерігаємо окремі галактики - зокрема, галактики «з ребра» - і вимірюємо їх профілі швидкості. Ми дивимося на одну сторону галактики і бачимо, що вона рухається у напрямку до нас (по синьому зміщення), дивимося на іншу - вона віддаляється від нас (по червоному зсуву), і так визначаємо обертання галактики. Чого ми від них чекаємо? Подібно нашій Сонячній системі, внутрішні зірки повинні обертатися швидше, і чим далі від центру, тим нижче повинна бути швидкість. Але це не те, що ми знаходимо.

    Замість цього швидкість обертання кожної окремоїгалактики залишається постійною незалежно від дистанції. Чому? Знову ж, є два варіанти: або закони гравітації вимагають поліпшення, або ми повинні припустити існування невидимої зайвої маси.

    Явище MOND вперше помітив Моті Мілгром в 1981році, який зауважив, що якщо ми змінили б закон тяжіння при дуже малих прискореннях - щось на зразок часткою нанометра в секунду в квадраті - ми могли б пояснити ці ротаційні криві. Крім того, та ж модифікація, одна-єдина і послідовна, могла б пояснити обертання всіх галактик, від найменших до найбільших. MOND досі це робить, і робить добре.

    Темна матерія, з іншого боку, передбачає,що на додаток до звичайних частинок Стандартної моделі і звичайної матерії з «протонів, нейтронів і електронів», які складають майже все, що ми знаємо, існує новий тип матерії. Щоб пояснити обертальний феномен, запропонували ввести велику гало матерії, яка не взаємодіє зі світлом, але і не злипається, і не взаємодіє зі звичайною матерією, крім як гравітаційно. Такою була ідея темної матерії.

    Темна матерія може пояснити ці ротаційнікриві, але робить це не так добре, як MOND. Чисельне моделювання для гало, які виробляють навіть найпростіші моделі темної матерії, не відповідає спостереженням; гало занадто «збиті» в центрі і занадто «пухнасті» на околиці. (З технічної точки зору вони здаються більш ізотермічними, ніж очікується). Коротше, спочатку MOND була явним лідером.

    Але там, далі, почалася ціла Всесвіт. Коли ви пропонуєте нову теорію, щоб замінити стару - як загальна теорія відносності замінила закони Ньютона, - ваша теорія повинна задовольнити три принципи:

  • Вона повинна відтворити весь успіх попередньої лідируючої теорії.
  • Вона повинна успішно пояснити нове явище (або явища), заради якого створювалася.
  • І вона повинна зробити нові передбачення, які будуть експериментально або наглядово перевірені, підтверджені або спростовані, щоб це було унікальне для нової теорії.
  • Ми говоримо про всі успіхи попередньої провідною теорії, а вони численні.

    Є гравітаційне викривлення зоряного світламасою, сильне і слабке гравітаційне лінзування. Є ефект Шапіро. Є гравітаційне уповільнення часу і гравітаційне червоне зміщення. Є концепція Великого Вибуху і концепція розширення Всесвіту. Є руху галактик всередині скупчень і кластеризація самих галактик на найбільших масштабах.

    У випадку з усіма цими прикладами - усіма - MONDзазнає нищівної поразки, або не пропонуючи ніяких прогнозів, або роблячи прогнози, які вступають в гнітюче протиріччя з наявними даними. Ви можете справедливо зауважити, що MOND ніколи не збиралася бути повною теорією, а швидше за описом одного явища, яке може привести до більш повної теорії. Багато людей працюють над розширенням MOND, яке могло б пояснити ці спостереження, але поки безуспішно.

    Але якщо ви продовжите закон гравітації Ейнштейна і просто додасте новий інгредієнт, холодну темну матерію, ви можете пояснити все, включаючи і деякі нові незвичайні нюанси.

    Ви можете пояснити картину кластеризації, яка спостерігається в великомасштабної структурі Всесвіту, якщо у вас буде в п'ять разів більше темної матерії, ніж звичайної.

    І що особливо вражає, ви можете зробитиабсолютно нове пророцтво: коли стикається два скупчення галактик, газ в них нагрівається, сповільнюється і випромінює рентгенівські промені, тоді як маса, яку ми бачимо за допомогою гравітаційного лінзування, слід за темною матерією і підміняється рентгенівськими променями. Це нове пророцтво було підтверджено експериментально і тримається вже десять років, являючи собою непряме підтвердження існування темної матерії.

    У MOND є перевага: вона пояснює криві обертання галактик краще, ніж темна матерія. Але це не фізична теорія і вона не відповідає повного набору спостережень, які ми маємо. Темна матерія існує - принаймні в теорії - оскільки вона дає нам все ту ж Всесвіт, послідовну, без будь-яких модифікацій.

    Але в даний час невдачі MOND,космологічні, ставлять її нижче темної матерії. Нехай відтворить все успіхи ОТО, пояснить нові явища, зробить прогнози, які можна буде підтвердити - і вчені безсумнівно звернуться в нову віру. Адже вони хороші вчені.