Главная Новости Новое исследование доказалао теорию гравитации Верлинде

Темная материя или холодной газ?

Уже много лет астрономы и физики находятся в состоянии конфликта. Является ли таинственная темная материя, которую мы наблюдаем в глубинах Вселенной, реальной, или то, что мы видим, - результат тонких отклонений от законов гравитации?

Темная материя или холодный газ?

В 2016 году голландский физик Эрик Верлинде предложил теорию второго рода - эмерджентную гравитацию. Новое исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Astronomy & Astrophysics, расширяет границы наблюдений за темной материей до неизвестных внешних областей галактик и при этом переоценивает несколько моделей темной материи и альтернативных теорий гравитации.

Измерения гравитации 259 000 изолированных галактик показывают очень тесную связь между возможными участками темной материи и обычной материи, как и предсказывалось в теории гравитации Верлинде и модифицированной ньютоновской динамикой. Однако результаты также согласуются с компьютерным моделированием Вселенной, где предполагается, что темная материя является "реальным веществом".

Материя или гравитация?

До сих пор темная материя никогда не наблюдалась непосредственно - отсюда происходит ее название. Астрономы фиксируют потенциальное присутствие ТМ: искривление звездного света; звезды, которые движутся быстрее, чем ожидалось; изменение курса целых галактик. Несомненно, все эти эффекты вызваны гравитацией, но возникает вопрос: действительно ли мы наблюдаем дополнительную гравитацию, вызванную невидимой материей, или же сами законы гравитации - это то, что мы еще не до конца поняли?

Чтобы ответить на этот вопрос, в новом исследовании используется метод, аналогичный тому, который применялся в оригинальном тесте 2016 года. Астрофизик Брувер и ее коллеги используют непрерывную серию фотографических измерений, напечатанных при помощи KiloDegree Survey (KiDS) и обзорного телескопа VLT ESO в Чили. В ходе этих наблюдений измеряется, как свет звезд далеких галактик изгибается под действием гравитации. Если в 2016 году измерения таких "линзовых эффектов" охватывали только область ночного неба площадью около 180 квадратных градусов, то с тех пор она расширялась до 1000 квадратных градусов, что позволило ученым измерить распределение гравитации на расстояниях примерно в миллион галактик.

Сравнительное тестирование

Брувер и ее коллеги отобрали более 259 000 изолированных галактик, для которых они смогли измерить так называемое "отношение радиального ускорения" (RAR). Этот показатель сравнивает силу гравитации, рассчитанную на основе видимой материи, с гравитацией, которая присутствует на самом деле. Другими словами: результат показывает, сколько "дополнительной" гравитации существует по отношению к той, что обусловлена прямыми наблюдениями. До сих пор объем дополнительной гравитации определялся только во внешних областях галактик благодаря отслеживанию движения звезд или путем измерения скорости вращения холодного газа. Используя эффект линзирования гравитации, астрофизики смогли проникнуть далеко за границы отдельных галактик.

Холодный газ вокруг молодой галактики

Читайте Альтернативная Наука на Google News

Это позволило чрезвычайно точно измерить дополнительную гравитацию. Однако невыясненным остался вопрос его происхождения. Автор исследования Кайл Оман указывает, что предположение о "реальной материи", по крайней мере, частично, работает:

"В нашем исследовании мы сравниваем результаты измерений с четырьмя различными теоретическими моделями: двумя, предполагающими существование темной материи и лежащими в основе компьютерных симуляций нашей Вселенной, и другими, изменяющими законы гравитации - моделью эмерджентной гравитации Эрика Верлинде и MOND. Одна из двух моделей темной материи, MICE, дает предсказания, которые очень хорошо согласуются с нашими измерениями. Для нас стало неожиданностью, что другая модель, BAHAMAS, дала совсем другие предсказания. То, что предсказания двух моделей вообще различаются, уже удивительно, поскольку модели очень похожи. Но более того, мы ожидали, что если разница и проявится, то BAHAMAS окажется лучше. BAHAMAS - гораздо более детальная модель, чем MICE, она гораздо ближе подходит к нашему нынешнему пониманию того, как формируются галактики с темной материей. Тем не менее, MICE демонстрирует лучшие результаты, если сравнить ее предсказания с нашими измерениями. В будущем мы хотим продолжить изучение причин различий между симуляциями".

Молодые и старые галактики

Таким образом, похоже, что, по крайней мере, одна модель темной материи действительно работает. Однако альтернативные модели гравитации также предсказывают измеренный RAR. Казалось бы, противостояние - какая модель верна? Марго Брувер, возглавлявшая исследовательскую группу, пытается найти компромисс:

"На основании наших тестов мы пришли к выводу, что две альтернативные модели гравитации и MICE достаточно хорошо согласуются с наблюдениями. Однако самое интересное было еще впереди: поскольку мы имели доступ к более чем 259 000 галактик, мы могли разделить их на несколько типов - относительно молодые, синие спиральные галактики и относительно старые, красные эллиптические галактики".

Эти два типа галактик возникают совершенно по-разному: красные эллиптические галактики образуются при взаимодействии различных галактик, например, когда две голубые спиральные галактики проходят близко друг от друга или даже сталкиваются между собой. В результате, в рамках теории частиц темной материи ожидается, что соотношение между обычной и темной материей в различных типах галактик может меняться.

Что такое дополнительный газ

Теория Верлинда и MOND, с другой стороны, отрицают темную материю, поэтому предсказывают фиксированное соотношение между ожидаемой и измеренной гравитацией в двух типах галактик, независимо от их типа.

"Мы обнаружили, что RAR для двух типов галактик существенно различается. Это было бы сильным намеком на существование темной материи как частицы", - говорит Брувер.

Однако есть газ. Многие галактики, вероятно, окружены диффузным облаком горячего газа, которое очень трудно наблюдать. Если бы дело обстояло так, тогда объяснение колебаний RAR вроде как найдено. Чтобы в этом окончательно убедиться, необходимо также измерить количество диффузного газа, а это невозможно с помощью инструментов KiDS. А опытные измерения нерепрезентативны - речь идет о 300 «подопытных» галактиках (генеральная совокупность — 259 000, по которым проведены измерения).

Темная материя в выигрыше?

Если окажется, что дополнительный газ не поясняет разницу между двумя типами галактик, то результаты измерений проще объяснить темной материей, чем создавать альтернативную теорию гравитации. Но даже в этом случае проблема не решится.

Верлинде:

"Моя текущая модель применима только к статичным, изолированным, сферическим галактикам, поэтому нельзя ожидать, что она будет различать галактики. Я рассматриваю эти результаты как вызов и вдохновение для разработки асимметричной, динамической версии моей теории, в которой галактики с разной формой и историей могут иметь разное количество "видимой темной материи".

Таким образом, даже после новых измерений спор между темной материей и альтернативными теориями гравитации еще не решен. Тем не менее, новые результаты - это большой шаг вперед: если измеренная разница в гравитации между двумя типами галактик верна, то конечная модель, какой бы она ни была, должна быть достаточно точной, чтобы объяснить эту разницу. Иначе говоря, многие существующие модели могут быть отброшены, что значительно сузит круг возможных объяснений.

Кроме того, новое исследование показывает, что необходимы систематические измерения горячего газа вокруг галактик. Эдвин Валентайн формулирует эту проблему так:

"Как астрономы-наблюдатели, мы достигли того момента, когда можем измерить дополнительную гравитацию вокруг галактик более точно, чем количество видимой материи".

Противоречивый вывод заключается в том, что мы должны сначала измерить наличие обычной материи в виде горячего газа вокруг галактик, прежде чем будущие телескопы, такие как "Эвклид", окончательно разгадать тайну «темной материи».

Дата: 2021-06-24

Автор: Всеволод Гордиенко

Поделиться с друзьями: