Уже багато років астрономи і фізики перебувають у стані конфлікту. Чи є таємнича темна матерія, яку ми спостерігаємо в глибинах Всесвіту, реальною, чи те, що ми бачимо, - результат тонких відхилень від законів гравітації?
У 2016 році голландський фізик Ерік Верлінде запропонував теорію другого роду - емерджентну гравітацію. Нове дослідження, опубліковане цього тижня в журналі Astronomy & Astrophysics, розширює межі спостережень за темною матерією до невідомих зовнішніх областей галактик і при цьому переоцінює кілька моделей темної матерії та альтернативних теорій гравітації.
Вимірювання гравітації 259 000 ізольованих галактик показують дуже тісний зв'язок між можливими ділянками темної матерії і звичайної матерії, як і передбачалося в теорії гравітації Верлінде і модифікованій ньютонівській динаміці. Однак результати також узгоджуються з комп'ютерним моделюванням Всесвіту, де передбачається, що темна матерія є "реальною речовиною".
Матерія чи гравітація?
Досі темна матерія ніколи не спостерігалася безпосередньо - звідси походить її назва. Астрономи фіксують потенційну присутність ТМ: викривлення зоряного світла; зірки, які рухаються швидше, ніж очікувалося; зміна курсу цілих галактик.
Безсумнівно, всі ці ефекти спричинені гравітацією, але постає питання: чи справді ми спостерігаємо додаткову гравітацію, спричинену невидимою матерією, або ж самі закони гравітації - це те, що ми ще не до кінця зрозуміли?
Щоб відповісти на це запитання, в новому дослідженні використовується метод, аналогічний тому, який застосовувався в оригінальному тесті 2016 року. Астрофізик Брувер і її колеги використовують безперервну серію фотографічних вимірювань, надрукованих за допомогою KiloDegree Survey (KiDS) і оглядового телескопа VLT ESO в Чилі.
Під час цих спостережень вимірюється, як світло зірок далеких галактик згинається під дією гравітації. Якщо у 2016 році вимірювання таких "лінзових ефектів" охоплювали тільки область нічного неба площею близько 180 квадратних градусів, то відтоді вона розширювалася до 1000 квадратних градусів, що дало змогу вченим виміряти розподіл гравітації на відстанях приблизно в мільйон галактик.
Порівняльне тестування
Брувер та її колеги відібрали понад 259 000 ізольованих галактик, для яких вони змогли виміряти так зване "відношення радіального прискорення" (RAR). Цей показник порівнює силу гравітації, розраховану на основі видимої матерії, з гравітацією, яка присутня насправді. Іншими словами: результат показує, скільки "додаткової" гравітації існує по відношенню до тієї, що зумовлена прямими спостереженнями.
Досі обсяг додаткової гравітації визначався тільки в зовнішніх областях галактик завдяки відстеженню руху зірок або шляхом вимірювання швидкості обертання холодного газу. Використовуючи ефект лінзування гравітації, астрофізики змогли проникнути далеко за межі окремих галактик.
Це дало змогу надзвичайно точно виміряти додаткову гравітацію. Однак нез'ясованим залишилося питання його походження. Автор дослідження Кайл Оман вказує, що припущення про "реальну матерію", принаймні частково, працює:
"У нашому дослідженні ми порівнюємо результати вимірювань із чотирма різними теоретичними моделями: двома, що припускають існування темної матерії та лежать в основі комп'ютерних симуляцій нашого Всесвіту, та іншими, що змінюють закони гравітації, - моделлю емерджентної гравітації Еріка Верлінде і MOND. Одна з двох моделей темної матерії, MICE, дає передбачення, які дуже добре узгоджуються з нашими вимірами. Для нас стало несподіванкою, що інша модель, BAHAMAS, дала зовсім інші передбачення.
Те, що передбачення двох моделей взагалі різняться, вже дивно, оскільки моделі дуже схожі. Але більше того, ми очікували, що якщо різниця і проявиться, то BAHAMAS виявиться кращою. BAHAMAS - набагато детальніша модель, ніж MICE, вона набагато ближче підходить до нашого нинішнього розуміння того, як формуються галактики з темною матерією. Проте MICE демонструє кращі результати, якщо порівняти її передбачення з нашими вимірами. У майбутньому ми хочемо продовжити вивчення причин відмінностей між симуляціями".
Молоді та старі галактики
Таким чином, схоже, що, принаймні, одна модель темної матерії дійсно працює. Однак альтернативні моделі гравітації також передбачають виміряний RAR. Здавалося б, протистояння - яка модель правильна? Марго Брувер, яка очолювала дослідницьку групу, намагається знайти компроміс:
"На підставі наших тестів ми дійшли висновку, що дві альтернативні моделі гравітації та MICE досить добре узгоджуються зі спостереженнями. Однак найцікавіше було ще попереду: оскільки ми мали доступ до більш ніж 259 000 галактик, ми могли розділити їх на кілька типів - відносно молоді, сині спіральні галактики та відносно старі, червоні еліптичні галактики".
Ці два типи галактик виникають абсолютно по-різному: червоні еліптичні галактики утворюються під час взаємодії різних галактик, наприклад, коли дві блакитні спіральні галактики проходять близько одна від одної або навіть стикаються між собою. У результаті, в рамках теорії частинок темної матерії очікується, що співвідношення між звичайною і темною матерією в різних типах галактик може змінюватися.
Теорія Верлінда і MOND, з іншого боку, заперечують темну матерію, тому пророкують фіксоване співвідношення між очікуваною і виміряною гравітацією у двох типах галактик, незалежно від їхнього типу.
"Ми виявили, що RAR для двох типів галактик суттєво різниться. Це було б сильним натяком на існування темної матерії як частинки", - каже Брувер.
Однак є газ. Багато галактик, ймовірно, оточені дифузною хмарою гарячого газу, яку дуже важко спостерігати. Якби справа йшла так, тоді пояснення коливань RAR ніби як знайдено. Щоб у цьому остаточно переконатися, необхідно також виміряти кількість дифузного газу, а це неможливо за допомогою інструментів KiDS. А дослідні вимірювання нерепрезентативні - йдеться про 300 "піддослідних" галактик (генеральна сукупність - 259 000, за якими проведено вимірювання).
Темна матерія у виграші?
Якщо виявиться, що додатковий газ не пояснює різницю між двома типами галактик, то результати вимірювань простіше пояснити темною матерією, ніж створювати альтернативну теорію гравітації. Але навіть у цьому випадку проблема не вирішиться.
Верлінде:
"Мою поточну модель можна застосувати тільки до статичних, ізольованих, сферичних галактик, тому не можна очікувати, що вона буде розрізняти галактики. Я розглядаю ці результати як виклик і натхнення для розробки асиметричної, динамічної версії моєї теорії, в якій галактики з різною формою та історією можуть мати різну кількість "видимої темної матерії".
Таким чином, навіть після нових вимірів суперечка між темною матерією і альтернативними теоріями гравітації ще не вирішена. Проте нові результати - це великий крок уперед: якщо виміряна різниця в гравітації між двома типами галактик є правильною, то кінцева модель, хоч би якою вона була, має бути досить точною, щоб пояснити цю різницю. Інакше кажучи, багато наявних моделей можуть бути відкинуті, що значно звузить коло можливих пояснень.
Крім того, нове дослідження показує, що необхідні систематичні вимірювання гарячого газу навколо галактик. Едвін Валентайн формулює цю проблему так:
"Як астрономи-спостерігачі, ми досягли того моменту, коли можемо виміряти додаткову гравітацію навколо галактик точніше, ніж кількість видимої матерії".
Суперечливий висновок полягає в тому, що ми повинні спочатку виміряти наявність звичайної матерії у вигляді гарячого газу навколо галактик, перш ніж майбутні телескопи, такі як "Евклід", остаточно розгадати таємницю "темної матерії".
За матеріалами phys.org
