А тёмная материя - это всего лишь гравитация Вселенной самой по себе?
Linas JuozėnasПоделиться
Что, если тёмная материя - всего лишь взаимное гравитационное притяжение всей Вселенной?
Подробное исследование интригующей мысли
Тёмная материя - одна из величайших загадок современной космологии и астрофизики. Наблюдения, охватывающие кривые вращения галактик, гравитационное линзирование и формирование крупномасштабной структуры, показывают, что во Вселенной существует форма материи, которая не взаимодействует со светом, - поэтому её и назвали «тёмной». Согласно ньютоновскому и эйнштейновскому пониманию гравитации, видимая, «обычная» материя (протоны, нейтроны, электроны) составляет лишь около 5% общего баланса энергии и материи Вселенной, а тёмная материя - около 27% (остальную часть составляет тёмная энергия).
Но что, если этой недостающей массы вовсе не существует? Возможно, это всего лишь эффект взаимного гравитационного притяжения самой Вселенной: небольшие вклады гравитации всех звёзд, планет и частиц газа, которые в совокупности создают явления, объясняемые нами как «тёмная материя». Это интригующая мысль: можем ли мы отказаться от понятия тёмной материи как отдельного компонента и объяснить всё лишь общим воздействием гравитации видимой материи на огромных масштабах?
В этой статье мы подробно исследуем эту идею - рассмотрим доказательства существования тёмной материи, научные попытки объяснить это явление, а также то, почему мысль «это всего лишь гравитация всего, что существует» одновременно привлекательна и, к сожалению, недостаточна при рассмотрении подробных данных наблюдений.
1. Доказательства существования тёмной материи
1.1 Кривые вращения галактик
Одно из первых убедительных доказательств существования тёмной материи - измерения орбитальных скоростей звёзд на окраинах галактик. Согласно ньютоновской механике, орбитальная скорость звёзд на окраинах галактики должна уменьшаться с увеличением расстояния от центра - подобно тому, как скорость планет в нашей Солнечной системе уменьшается по мере удаления от Солнца.
Тем не менее астрономы заметили, что звёзды во внешних областях спиральных галактик движутся гораздо быстрее, чем предсказывают обычные расчёты. Это явление, называемое «плоскими кривыми вращения», указывает на существование гораздо большей массы, чем мы можем определить по электромагнитному излучению (свету на различных длинах волн). Если бы в галактике существовала только видимая материя (звёзды, газ, пыль), орбиты далёких от центра звёзд должны были бы быть медленнее. Поэтому простейшее объяснение заключается в том, что существует дополнительный слой невидимой массы, то есть тёмная материя.
1.2 Гравитационное линзирование
Гравитационное линзирование - это способность массивных объектов искривлять свет, как описано в общей теории относительности Эйнштейна. При наблюдении скоплений галактик видно, что их воздействие на изображения более далёких галактик (линзирование) значительно сильнее, чем можно объяснить одной лишь видимой материей. Для объяснения этого эффекта требуется дополнительная масса - и снова указывают на тёмную материю.
Известный пример - так называемое столкновение Bullet Cluster, в котором два скопления галактик пролетели друг сквозь друга. Горячий газ (видимый в рентгеновском диапазоне) замедлился из-за взаимодействий, а наиболее сильное гравитационное воздействие переместилось дальше. Это позволяет предположить, что часть массы почти не взаимодействует электромагнитно (то есть не сталкивается друг с другом, как обычный газ), но оказывает значительное гравитационное воздействие.
1.3 Космологические наблюдения и формирование структуры
Изучая космическое микроволновое фоновое излучение (англ. Cosmic Microwave Background, CMB) - «отблеск» Большого взрыва, учёные наблюдают неоднородности плотности. Именно эти неоднородности со временем выросли в галактики и скопления, которые мы видим сегодня. Компьютерные симуляции формирования структуры Вселенной показывают, что без тёмной материи развитие таких «зёрен» плотности до нынешних размеров было бы чрезвычайно трудно объяснить или даже невозможно. Без тёмной материи формирование сильно неоднородных структур материи (галактик, скоплений галактик) из почти однородной ранней Вселенной происходило бы слишком медленно.
2. Предлагаемая идея: совокупное притяжение всей материи
Мысль «а что, если тёмная материя - это всего лишь взаимное гравитационное притяжение всего существующего» на первый взгляд кажется привлекательной. Ведь гравитация действует на неограниченных расстояниях; какими бы далёкими ни были друг от друга любые два объекта во Вселенной, они всё равно притягиваются. Если представить бесчисленное множество звёзд и галактик, возможно, совокупное воздействие их притяжения могло бы объяснить эту дополнительную массу.
2.1 Интуитивная привлекательность
1. Единое объяснение гравитации: Отчасти это выглядит как объединяющая идея. Вместо введения нового типа материи мы могли бы утверждать, что наблюдаем лишь совокупное воздействие известной нам материи.
2. Простота: Многим привлекательно считать, что существует только барионная (обычная) материя и больше ничего. Возможно, до сих пор мы просто не учитывали совокупную гравитацию всей этой материи, особенно в больших масштабах.
Однако эта гипотеза сталкивается с серьёзными трудностями при применении к точным данным наблюдений и хорошо проверенным физическим теориям. Рассмотрим, где проявляются проблемы.
3. Почему одной лишь взаимной гравитации известной материи недостаточно
3.1 Обычная и модифицированная гравитация
Попытки объяснить космические явления без тёмной материи часто относятся к области теорий «модифицированной гравитации». Вместо введения нового вида материи предлагается скорректировать законы гравитации в масштабах Вселенной. Один из наиболее известных примеров - MOND (англ. Modified Newtonian Dynamics). Согласно MOND, в областях чрезвычайно малых ускорений (например, на окраинах галактик) гравитация действует иначе, чем предсказывают Ньютон или Эйнштейн.
Если бы общая гравитация всей материи Вселенной была той силой, которую мы ошибочно называем тёмной материей, она по сути должна была бы действовать как некая версия модифицированной гравитации. Сторонники MOND и подобных теорий стремятся объяснить кривые вращения галактик и другие явления. Однако MOND, хотя и может соответствовать некоторым наблюдениям (например, кривым вращения галактик), трудно согласуется с другими фактами (например, с данными гравитационного линзирования скопления Пули).
Поэтому любая теория, утверждающая, что «тёмная материя» обусловлена исключительно общей гравитацией обычной материи, должна успешно объяснять не только кривые вращения галактик, но и линзирование, столкновения скоплений и формирование крупномасштабной структуры. Пока ни одна альтернативная теория не смогла полностью заменить гипотезу тёмной материи так, чтобы соответствовать всем наблюдениям.
3.2 Закон обратных квадратов и космические масштабы
Сила гравитации ослабевает пропорционально квадрату расстояния (согласно закону всемирного тяготения Ньютона). На космических масштабах существует реальное, хотя и слабое, притяжение далёких галактик, скоплений и филаментов, однако эта сила довольно быстро уменьшается с расстоянием. Данные наблюдений показывают, что одной видимой (барионной) материи недостаточно и она распределена не так, чтобы создавать гравитационные эффекты, приписываемые тёмной материи.
Если попытаться сложить всю видимую материю Вселенной и рассчитать её гравитационное воздействие на различных космических масштабах, выяснится, что мы всё равно не можем воспроизвести реальные кривые вращения галактик, эффекты линзирования или скорость формирования структуры. Проще говоря, во Вселенной, состоящей только из барионной материи, гравитационная сила была бы слишком слабой, чтобы объяснить наблюдаемый эффект.
3.3 Скопление Пули и распределение «исчезнувшей» массы
Скопление Пули - особенно наглядный пример. Когда столкнулись два скопления галактик, обычная материя (в основном горячий газ) замедлилась из-за взаимодействия, тогда как другая, почти невзаимодействующая часть массы (как предполагается, тёмная материя) успешно прошла сквозь столкновение, не замедлившись. Данные гравитационного линзирования показывают, что большая часть массы «ушла» дальше, оставив светящийся газ позади.
Если объяснять недостающую массу просто всей материей Вселенной, следовало бы ожидать, что распределение массы больше совпадало бы с видимой материей (замедленной газом). Однако наблюдаемый разрыв между видимым газом и гравитационно активной массой указывает на существование дополнительной, не взаимодействующей электромагнитно материи - тёмной материи.
4. «Гравитация всей материи» и космология
4.1 Ограничения, налагаемые нуклеосинтезом Большого взрыва
В ранней Вселенной сформировались самые лёгкие химические элементы - водород, гелий и немного лития. Этот процесс называется нуклеосинтезом Большого взрыва (англ. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Распространённость лёгких элементов чувствительно зависит от плотности всей барионной (обычной) материи. Наблюдения реликтового микроволнового излучения и изучение соотношений этих элементов показывают, что во Вселенной не может быть слишком много барионной материи - иначе пришлось бы противоречить наблюдаемым количествам гелия или дейтерия. Кратко говоря, BBN показывает, что обычная материя составляет около 5% энергетического и материального баланса Вселенной.
4.2 Измерения реликтового микроволнового излучения
Данные высокого разрешения, полученные со спутников, таких как COBE, WMAP и Planck, позволили космологам с чрезвычайной точностью определить флуктуации температуры реликтового микроволнового излучения. Характер этих флуктуаций, особенно их угловой спектр мощности, позволяет оценить плотность различных компонентов (тёмной материи, тёмной энергии и барионной материи). Эти измерения очень хорошо согласуются с космологической моделью, в которой тёмная материя является отдельным небарионным компонентом. Если бы гравитационное воздействие, которое мы сейчас приписываем тёмной материи, было лишь общей гравитацией видимой материи, спектр мощности реликтового излучения выглядел бы совершенно иначе.
5. Есть ли другой способ сказать, что тёмная материя — это всего лишь «гравитация»?
Мысль «а что, если тёмная материя на самом деле лишь несовершенство законов гравитации?» послужила толчком к появлению различных теорий модифицированной гравитации. Они предлагают скорректировать общую теорию относительности Эйнштейна или ньютоновскую динамику в галактических и более крупных масштабах, иногда предлагая довольно сложную математическую основу. Такие теории пытаются объяснить кривые вращения галактик и линзирование скоплений без дополнительных невидимых частиц.
Основные трудности теорий модифицированной гравитации:
- Согласование: Необходимо скорректировать гравитацию в масштабах галактик, но одновременно сохранить согласованность с наблюдениями в Солнечной системе и общей теорией относительности, которую уже подтвердили с чрезвычайно высокой точностью многочисленные эксперименты.
- Формирование структур: Теории должны объяснять не только кривые вращения галактик, но и формирование структур Вселенной от ранних эпох до наших дней, согласуясь с наблюдениями в разные периоды.
- Релятивистские эффекты: Изменяя закон гравитации, необходимо не противоречить таким явлениям, как гравитационное линзирование, или данным Bullet Cluster.
Хотя «ΛCDM» (англ. ΛCDM) - современная стандартная космологическая модель, в которой существуют и тёмная материя, и тёмная энергия (Λ), имеет определённые недостатки, пока ни одной теории модифицированной гравитации не удалось столь же успешно объяснить все наблюдения, как ΛCDM.
6. Заключение
Идея о том, что тёмная материя может быть просто взаимным гравитационным притяжением всей материи Вселенной, интересна. Она соответствует стремлению найти более простое объяснение, не требующее концепции новой невидимой материи. По сути, это созвучно старому научному и философскому принципу, согласно которому с помощью бритвы Оккама следует избавляться от ненужных гипотез.
Однако десятилетия астрономических и космологических наблюдений показывают, что одного общего количества известной материи недостаточно для объяснения проблемы «недостающей массы». Кривые вращения галактик, данные гравитационного линзирования, темпы формирования крупномасштабной структуры, измерения космического микроволнового фонового излучения и ограничения, налагаемые нуклеосинтезом Большого взрыва, - всё это позволяет предположить существование типа материи, который присутствует помимо и в дополнение к привычной нам материи. Более того, Bullet Cluster и подобные наблюдения показывают, что невидимая масса ведёт себя иначе, чем обычная материя (например, слабо участвуя в других, негравитационных взаимодействиях).
Тем не менее космология - это постоянно развивающаяся научная область. Новые наблюдения - от гравитационных волн до более точных карт распределения галактик и ещё более качественного анализа CMB - постоянно совершенствуют наше понимание. Пока что большинство наблюдательных данных указывает на то, что тёмная материя действительно существует как отдельный, небарионный вид материи. Однако открытость мышления и внимательное отношение к неожиданным данным остаются очень важными - ведь наука движется вперёд, когда гипотезы проверяются и изменяются, если не соответствуют новым фактам.
В настоящее время наблюдения в наибольшей степени поддерживают идею о том, что тёмная материя является реальным физическим компонентом. Тем не менее вопрос «а существует ли всё-таки альтернатива?» означает сохранение духа научного любопытства, особенно необходимого для понимания тайн Вселенной.
Дополнительная литература
- Тёмная материя во Вселенной – Баколл, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Скопление Пуля как свидетельство против модифицированной гравитации – публикации наблюдений многих авторов, например Клоу и др.
- Проверка предсказаний MOND – различные исследования кривых вращения галактик (например, работы Стейси Макго и соавторов).
- Наблюдения космологических параметров – данные миссий Planck, WMAP, COBE.