А что если тёмная материя – это всего лишь взаимное гравитационное притяжение всей Вселенной?
Подробное исследование интригующей идеи
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 называют «тёмной». Согласно представлениям Ньютона и Эйнштейна о гравитации, видимая, «обычная» материя (протоны, нейтроны, электроны) составляет лишь около 5% от общего баланса энергии и материи во Вселенной, а тёмная материя – около 27% (оставшуюся часть составляет тёмная энергия).
Но что если этой недостающей массы вовсе нет? Возможно, это просто эффект взаимного притяжения Вселенной: небольшие вклады гравитации всех звёзд, планет и частиц газа, которые в сумме создают явления, которые мы объясняем как «тёмную материю». Это интригующая мысль: можем ли мы отказаться от понятия тёмной материи как отдельного компонента и объяснить всё только общим гравитационным воздействием видимой материи в огромных масштабах?
В этой статье мы подробно рассмотрим эту идею – обзор доказательств существования тёмной материи, научные попытки объяснить это явление и почему мысль «это просто гравитация от всего, что существует» одновременно привлекательна и, к сожалению, недостаточна с точки зрения детальных наблюдательных данных.
1. Доказательства существования тёмной материи
1.1 Кривые вращения галактик
Одним из первых ярких доказательств существования тёмной материи стали измерения скорости орбит звёзд на окраинах галактик. Согласно механике Ньютона, скорость орбит звёзд на краю галактики должна уменьшаться с увеличением расстояния от центра – подобно тому, как скорость планет в нашей Солнечной системе уменьшается при удалении от Солнца.
Тем не менее астрономы заметили, что звёзды в спиральных галактиках в самых отдалённых регионах движутся гораздо быстрее, чем предсказывали обычные расчёты. Это явление, называемое «плоскими кривыми вращения», указывает на существование гораздо большего количества массы, чем мы можем определить по электромагнитному излучению (свету в различных диапазонах волн). Если бы в галактике существовала только видимая материя (звёзды, газы, пыль), орбиты дальних звёзд должны были бы быть медленнее. Следовательно, самое простое объяснение – существует дополнительный, невидимый слой массы, то есть тёмная материя.
1.2 Гравитационное линзирование
Гравитационное линзирование — это способность массивных объектов искривлять свет, как описано в общей теории относительности Эйнштейна. Наблюдая скопления галактик, видно, что их влияние на изображение более удалённых галактик (линзирование) значительно сильнее, чем можно объяснить только видимой материей. Для объяснения этого эффекта требуется дополнительная масса — снова указывающая на тёмную материю.
Известным примером является так называемое столкновение скоплений Bullet Cluster, в котором два скопления галактик пролетели друг через друга. Горячий газ (видимый в рентгеновском диапазоне) замедлился из-за взаимодействий, а основное гравитационное воздействие сместилось 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 влияние.
1.3 Космологические наблюдения и формирование структуры
Наблюдая космическое микроволновое фоновое излучение (англ. Cosmic Microwave Background, CMB) — «отголосок» Большого взрыва, учёные фиксируют 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 «зерен» плотности до современных размеров было бы чрезвычайно трудно объяснить или даже невозможно. Без тёмной материи формирование сильно неоднородной структуры материи (галактик, скоплений галактик) из почти однородной ранней Вселенной происходило бы слишком медленно.
2. Предлагаемая идея: общее гравитационное притяжение всей материи
Идея «а может, тёмная материя — это просто взаимное гравитационное притяжение всего существующего» на первый взгляд кажется привлекательной. Ведь гравитация действует на неограниченных расстояниях; какими бы далекими ни были два объекта во Вселенной, они всё равно притягиваются друг к другу. Если представить себе бесчисленное количество звёзд и галактик, возможно, их общий гравитационный эффект мог бы объяснить эту дополнительную массу.
2.1 Интуитивная привлекательность
1. Единственное объяснение гравитации: Отчасти это кажется объединяющей идеей. Вместо введения нового типа материи можно утверждать, что мы наблюдаем лишь коллективное воздействие известной нам материи.
2. Простота: Многим кажется привлекательной идея, что существует только барионная (обычная) материя и ничего больше. Возможно, до сих пор мы просто недооценивали общий гравитационный эффект всей этой материи, особенно в больших масштабах.
Однако эта гипотеза сталкивается с серьёзными проблемами при применении к точным данным наблюдений и хорошо проверенным теориям физики. Посмотрим, где проявляются проблемы.
3. Почему одной лишь известной взаимной гравитации материи недостаточно
3.1 Обычная против модифицированной гравитации
Попытки объяснить космические явления без тёмной материи часто попадают в область "теорий модифицированной гравитации". Вместо введения нового типа материи предлагается корректировать законы гравитации на масштабах Вселенной. Один из самых известных примеров – MOND (англ. Modified Newtonian Dynamics). MOND утверждает, что в областях с очень малыми ускорениями (например, на окраинах галактик) гравитация действует иначе, чем предсказывают Ньютон или Эйнштейн.
Если бы общая гравитация всей материи Вселенной была той силой, которую ошибочно называют тёмной материей, она по сути должна была бы действовать как некая модифицированная версия гравитации. Сторонники MOND и подобных теорий пытаются объяснить кривые вращения галактик и другие явления. Однако MOND, хотя и может подходить для некоторых наблюдений (например, кривых вращения галактик), плохо согласуется с другими фактами (например, данными гравитационного линзирования Bullet Cluster).
Поэтому любая теория, утверждающая, что "тёмная материя" обусловлена только 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 полностью не заменила гипотезу тёмной материи так, чтобы соответствовать всем наблюдениям.
3.2 Закон обратного квадрата и космические масштабы
Сила гравитации ослабевает пропорционально квадрату расстояния (согласно закону всемирного тяготения Ньютона). На космических масштабах существует реальное, хотя и слабое, притяжение далеких галактик, скоплений и нитей, но эта сила довольно быстро уменьшается с расстоянием. Данные наблюдений показывают, что одной видимой (барионной) материи недостаточно, и она не распределена так, чтобы создавать гравитационные эффекты, приписываемые тёмной материи.
Если попытаться сложить всю видимую материю Вселенной и вычислить её гравитационное воздействие на различных космических масштабах, окажется, что всё равно нельзя 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 Bullet Cluster и распределение "исчезающей" массы
Bullet Cluster является особенно ярким примером. При столкновении двух скоплений галактик обычная материя (в основном горячий газ) замедлялась из-за взаимодействия, а другая – почти не взаимодействующая – часть массы (предполагается, что это тёмная материя) успешно прошла через столкновение без замедления. Данные гравитационного линзирования показывают, что большая часть массы "отступила" дальше, отставая от светящегося газа.
Если бы недостающую массу объясняли просто всей материей Вселенной, следовало бы ожидать, что распределение массы больше совпадало бы с видимой материей (замедленными газами). 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 нуклеосинтеза 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). Обилие лёгких элементов чувствительно зависит от плотности всей барионной (обычной) материи. Наблюдая космическое микроволновое фоновое излучение и изучая соотношения этих элементов, видно, что в Вселенной не может быть слишком много барионной материи — иначе пришлось бы противоречить наблюдаемым количествам гелия или дейтерия. Короче говоря, BBN показывает, что обычная материя составляет около 5% энергетического и материального баланса Вселенной.
4.2 Измерения космического микроволнового фонового излучения
Данные высокого разрешения, полученные со спутников, таких как COBE, WMAP и Planck, позволили космологам чрезвычайно точно определить флуктуации температуры КМБ. Характер этих флуктуаций, особенно их угловой спектр мощности, даёт возможность 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 тягой видимой материи, спектр мощности КМБ выглядел бы совершенно иначе.
5. Есть ли другой способ сказать, что тёмная материя — это «гравитация»?
Идея «а что если тёмная материя на самом деле — это лишь несовершенство законов гравитации?» вдохновила различные теории модифицированной гравитации. Они предлагают исправить Общую теорию относительности Эйнштейна или динамику Ньютона на галактическом и более крупном масштабе, иногда предлагая довольно сложную математическую основу. Такие теории пытаются объяснить кривые вращения галактик и гравитационное линзирование скоплений без дополнительных невидимых частиц.
Основные вызовы для теорий модифицированной гравитации:
- Настройка: Необходимо корректировать гравитацию на галактическом уровне, но при этом оставаться согласованными с наблюдениями Солнечной системы и общей теорией относительности, которую множество экспериментов уже подтвердили с высокой точностью.
- Формирование структуры: Теории должны объяснять не только кривые вращения галактик, но и формирование структур Вселенной с ранних времен до наших дней, соответствуя наблюдениям в разные эпохи.
- Релятивистские эффекты: При изменении закона гравитации необходимо не противоречить таким явлениям, как гравитационное линзирование или данным кластера Пуля.
Хотя «Лямбда холодная тёмная материя» (англ. ΛCDM) – текущая стандартная модель космологии, включающая тёмную материю и тёмную энергию (Λ), имеет определённые недостатки, пока ни одна теория модифицированной гравитации не смогла так успешно объяснить все наблюдения, как ΛCDM.
6. Заключение
Идея о том, что тёмная материя может быть просто взаимным гравитационным притяжением всей материи во Вселенной – интересна. Она совпадает с стремлением найти более простое объяснение, не требующее концепции новой, невидимой материи. По сути, это резонирует со старым научным и философским принципом, что бритвой Оккама следует избавляться от ненужных гипотез.
Однако десятилетия астрономических и космологических наблюдений показывают, что только количество известной материи не объясняет проблему «недостающей массы». Кривые вращения галактик, данные гравитационного линзирования, темпы формирования крупномасштабной структуры, измерения космического микроволнового фонового излучения и ограничения нуклеосинтеза Большого взрыва – всё это позволяет предположить существование типа материи, который находится вне и в дополнение к привычной нам материи. Более того, наблюдения кластера Пуля и подобных ему показывают, что невидимая масса ведёт себя иначе, чем обычная материя (например, слабо участвуя в других, не гравитационных взаимодействиях).
Тем не менее космология – это постоянно развивающаяся научная область. Новые наблюдения – от гравитационных волн до более точных карт распределения галактик и улучшенного анализа CMB – постоянно совершенствуют наше понимание. Пока что большинство данных наблюдений указывает на то, что тёмная материя действительно существует как отдельный, небарионный вид материи. Однако открытость мышления и внимательность к неожиданным данным остаются очень важными – ведь наука движется вперёд, когда гипотезы проверяются и изменяются, если они не соответствуют новым фактам.
В настоящее время наблюдения в большей степени поддерживают идею, что тёмная материя является реальным, физическим компонентом. Тем не менее, задавать вопрос «а может, всё же существует альтернатива?» – значит поддерживать дух научного любопытства, который особенно необходим для понимания тайн Вселенной.
Дальнейшее чтение
- Тёмная материя во Вселенной – Бахколл, Н. А., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Кластер Пуля как доказательство 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.