Главная Астрономия Пол Саттер: теория MOND несовершенна, но ее альтернативы еще хуже

Что такое темная материя? Что такое гравитация?

Возможно, вы не являетесь поклонником темной материи - гипотетического вещества, которое формирует большую часть массы во Вселенной. Такое предположение имеет свои недостатки - мы не нашли ни одной частицы ТМ. Но правда также и в том, что ее альтернативы еще хуже.

Вселенная полна необъяснимых загадок (тем самым обеспечивая счастливую работу астрономов и астрофизиков); многие из этих загадок связаны с гравитацией.

Наблюдая за звездами, вращающимися вокруг центров своих систем, мы видим, что они движутся слишком быстро, - видимой материи недостаточно, чтобы гравитационно удержать их на собственных орбитах.

Галактики, расположенные внутри больших кластеров, также движутся слишком быстро, учитывая количество видимой массы в искомых скоплениях. Последние слишком жестко искривляют фоновый свет. Даже крупные структуры возникли почти мгновенно по космическим меркам и без дополнительного источника массы.

Лучшая гипотеза, которую ученые предлагают для объяснения всех разрозненных наблюдений, заключается в том, что в космосе находится особый тип частиц, получивших название «темная материя». Она невидима (отсюда и название) и редко (если вообще когда-либо) взаимодействует с обычной материей.

Сама идея не так уж спекулятивна, как кажется на первый взгляд: нейтрино - частицы именно с такими свойствами. Они не обладают достаточной массой, чтобы объяснить темную материю, нодемонстрируют, что подобные частицы в принципе могут существовать.

Темная материя в воображении художника

Но гипотеза о темной материи не совершенна. Компьютерное моделирование роста галактик показывает, что галактики с преобладанием темной материи должны иметь невероятно высокую плотность в своих центрах.

Наблюдения за реальными галактиками действительно показывают более высокую плотность в их ядрах, но не настолько, как предсказывают симуляции. Кроме того, математическое моделирование эволюции темной материи во Вселенной предсказывает, что каждая галактика должна обладать сотнями более мелких спутников, однако наблюдения неизменно показывают обратное.

MOND и теория гравитации Ньютона

Учитывая, что гипотеза о темной материи не совершенна - и что у нас нет прямых доказательств существования каких-либо частиц-кандидатов - стоит изучить другие варианты.

Вера Рубин - астроном, придумавшая темную материю

Один из таких вариантов был предложен еще в 1970-х годах параллельно изначальной идее темной материи, которую изложила Вера Рубин. Американский астроном впервые обнаружила проблему слишком быстрого движения звезд внутри галактик.

Но вместо того, чтобы добавлять новый ингредиент во Вселенную, альтернативная теория изменяет принцип работы гравитации. И получает известность как MOND, то есть "модифицированная ньютоновская динамика". Такая номинация применяется к общему семейству теорий, происходящих от оригинальной концепции.

На примере MOND вы получаете все то, что указано в ее названии. В масштабах планет или Солнечной системы гравитация Ньютона работает просто отлично (за исключением, конечно, тех случаев, когда нужны более детальные расчеты, предоставляемые общей теорией относительности).

Но как только вы переходите к более общирным масштабам, обычное F = ma не совсем применимо, связь между силой и ускорением следует другому правилу.

Согласно модифицированной динамике, для объяснения наблюдений нет необходимости в дополнительной частице - достаточно лишь слегка подправить силу тяготения. А поскольку подстройка гравитации в рамках MOND явно предназначена для объяснения движения звезд, она, естественно, очень хорошо справляется с этой задачей. Теория также не страдает от перепроизводства спутников и чрезвычайно высокого содержания темной материи в галактических ядрах.

Фальсификация теории MOND

Но модифицированная ньютоновская динамика далека от совершенства. Модификации, внесенные в гравитацию для объяснения траекторий звезд, с трудом поясняют движение галактик в скоплениях и линзирование фонового света.

 

Кроме того, MOND не является полностью релятивистской теорией (все современные физические теории должны быть совместимы со специальной теорией относительности). Обновленная версия MOND, TeVeS, может соревноваться с ОТО, и то далеко не всегда.

Модели, основанные на модифицированной гравитации, имеют значительные проблемы с объяснением роста структуры во Вселенной, особенностей космического микроволнового фона и многого другого - всех тех областей, где темная материя работает достаточно хорошо.

Нет ни одной MOND-внвлоговой теории, которая могла бы пояснить все наблюдения, касающиеся ТМ; все они не проходят хотя бы один тест.

MOND точна, когда речь идет о кривых вращения галактик; существует достаточно наблюдений, демонстрирующих наличие темной материи во Вселенной.

Да, гипотеза темной материи не совершенна. Но, опять же, ни одна научная гипотеза не совершенна. Оценивая конкурирующие предположения, ученые не должны идти на поводу у своей интуиции или выбирать ту теорию, которая звучит круче или кажется более простой.

Мы должны следовать за доказательствами, куда бы они ни привели. За почти 50 лет никто не придумал теорию, подобную MOND, которая могла бы пояснить все богатство данных о космосе. Что не делает MOND неверной, но оставляет ее гораздо более слабой альтернативой темной материи.

Дата: 08 августа 2022

Автор: Пол Саттер

Поделиться с друзьями: