Что не так с попытками модифицировать теорию гравитации
Скопление Волос Вероники (или Кома). Кроме двух гигантских галактик в скоплении содержится более тысячи галактик разных размеров
Одно из базовых предположений физики заключается в том, что законы физики должны быть одинаковыми повсюду. Им должны подчиняться все объекты как на Земле, так и вне её — Луна, все тела Солнечной системы, звёзды, галактики и структуры ещё большего размера. Кроме того, мы предполагаем, что всё, что мы можем увидеть, существует за счёт тех же самых элементарных частиц, что составляют и нас с вами. К сожалению, по меньшей мере одно из этих предположений должно быть неверным — применяя известные законы физики к известным частицам, описываемым Стандартной Моделью, мы не можем описать все структуры Вселенной и всё их поведение.
Уже довольно давно мы исходим из предположения о том, что для объяснения поведения всех наблюдаемых структур не хватает одного ингредиента. Мы назвали его «тёмной материей», а свойства у неё должны быть следующими:
- она должна быть холодной или двигаться с очень малой скоростью по сравнению со светом;
- её должно быть в пять раз больше, чем нормальной материи;
- она должна взаимодействовать с гравитацией, но не с электромагнитными или ядерными силами;
- она не должна сталкиваться сама с собой или с частицами Стандартной Модели;
- при этом она должна искривлять пространство так, как любая масса или энергия.
Тёмная материя — первый кандидат на эту должность, по разным причинам. Конечно, всегда есть вероятность, что при определённых условиях в космосе работают неизвестные гравитационные явления. Тогда нам потребовалось бы модифицировать не состав Вселенной, а наше понимание гравитации. Идея интересная, её стоит рассмотреть, и понять, нет ли в ней противоречий.
Уже довольно давно известно, что в описании Вселенной нам чего-то не хватает. Если предположить, что Общая теория относительности (ОТО) вместе с атомной физикой управляют всеми структурами Вселенной, то мы получим подтверждение этому на Земле, в Солнечной системе и чуть дальше. Но уже на масштабах галактики и более вся схема разваливается.
В 1930-х годах американский астрофизик швейцарского происхождения Фриц Цвикки наблюдал за галактиками, входящими в скопление Кома. Это плотное скопление, расположенное недалеко от нас, в которое входят более 1000 галактик. На основе видимого света галактик он подсчитал массу всего скопления. Потом он подсчитал, какая масса реально должна быть у этого скопления, чтобы все перемещения отдельных галактик совпадали с наблюдаемыми. Получилось другое число. Проблема была в том, что эти два числа отличались примерно в 160 раз.
До 1970-х годов эту проблему просто игнорировали — все считали, что в галактиках и самом скоплении есть некая неучтённая материя. Однако благодаря работам Веры Рубин астрономы начали замечать, что та же проблема проглядывает и в отдельных вращающихся галактиках. При удалении от центра галактики скорость вращения звёзд не падает — как следовало бы ожидать –, а остаётся примерно на одном уровне до самого её края.
Как должна была бы вращаться галактика без тёмной материи (слева) и как она вращается при наличии тёмной материи (справа)
Время шло, и увеличивающееся качество наблюдений лишь обостряло эту проблему. Одновременно учёные разбирались и с расчётами Цвикки. Он недооценил количество массы, требуемой для излучения видимого света, примерно в 3 раза. Он недооценил долю массы, которую вносит газ, а также массу плазмы.
Но несоответствие наблюдений и расчётов всё равно оставалось — примерно в шесть раз. Кроме того, многие, начиная с Рубин, изучив отдельные галактики, обнаружили те же проблемы — как у богатых газом спиральных галактик, так и у бедных газом эллиптических. Их скорости вращения не падали по мере удаления от центра. Иногда они немного увеличивались или уменьшались, но оставались достаточно большими.
Всё это вместе говорило о том, что чего-то явно не хватает. Можно выдвинуть гипотезу о наличии невидимой массы — тёмной материи. А можно рассмотреть другой вариант — необходимость подправить закон гравитации. И первую серьёзную попытку сделать это предпринял в 1983-м Мордехай Милгром, назвав её Модифицированной ньютоновской динамикой, или MOND.
Наблюдаемая (точки) и ожидаемая (пунктир) скорость вращения объектов галактики M33
Суть MOND была интересной: допустим, что очень далеко от центра галактики, на расстояниях в тысячи световых лет или более, предсказанные ускорения звёзд вокруг галактического центра чрезвычайно малы. При этом звёзды притягивает значительная масса нормальной материи. Если ускорение, вызванное этой общей массой, падает ниже критического значения — новой гипотетической константы природы — тогда это ускорение уже не определяется силой гравитации (или, эквивалентно, искривлением пространства), вызванной этой самой массой, а скорее возвращается к этому минимальному значению.
Иначе говоря, в отличие от нашей Солнечной системы, где все планеты и другие скалистые, ледяные, газовые и прочие тела вращаются вокруг Солнца тем медленнее, чем дальше они от него находятся, звёзды в галактике ведут себя по-другому. При удалении от центра галактики скорость вращения звёзд вокруг центра стремится к некоему минимальному значению — константе, пропорциональной общему количеству нормальной материи в галактике, гравитационной константе и новой, гипотетической константе «минимального ускорения».
Удобно, когда единственная модификация теории гравитации прекрасно объясняет движение отдельных звёзд во всех типах галактик — за исключением, к сожалению, чрезвычайно редких галактик (обнаруженных совсем недавно), в которых нет тёмной материи (или, оперируя в рамках данной теории — нет эффектов модифицированной гравитации).
Возьмите хоть крохотные спиральные галактики, хоть массивные и гигантские, хоть карликовые сферические, хоть огромные эллиптические — везде будет минимальное значение для ускорения астрофизических тел, действующее на масштабах, равных или превышающих галактические. И для отдельных галактик эта теория отлично работает. Она точно описывает даже движение малых галактик-спутников вокруг крупных и массивных. В определённых условиях MOND даже выигрывает по точности и непротиворечивости предсказаний у тёмной материи — в части движения компонентов галактик, которые учёные моделируют в компьютерных симуляциях.
Кроме того, некоторые интересные параллели связывают идею MOND с другими теориями, что наводит на мысли о фундаментальной Теории всего. Поведение электрических и магнитных полей в диэлектрике отличается от их поведения в вакууме. В каком-то смысле модификация ньютоновской гравитации вводит понятие «гравитационного диэлектрика». Кроме того, MOND и ОТО можно «поженить» через дополнительные члены уравнений.
Теория выглядит привлекательно, пока она может вернуться к привычной ОТО на масштабах Солнечной системы, пока скорость распространения гравитации равняется скорости света, и гравитационные волны ведут себя в соответствии с предсказаниями ОТО, и пока ускорение объектов на масштабах в несколько миллионов световых лет преобладает над ускорением в масштабах галактик. Этим она и привлекает многих исследователей — этим и возможностью объяснить поведение наблюдаемых объектов без необходимости вводить сущности, существование которых доказано только косвенными методами.
Однако во Вселенной есть не только Солнечная система и отдельные галактики. Первые свидетельства существования тёмной материи появились на куда как более крупных масштабах — в галактических скоплениях. Мы можем при помощи MOND подсчитать, как должны вести себя галактики в рамках галактических скоплений. И тут, к сожалению, теория даёт сбой — на масштабах в несколько миллионов световых лет от центра скопления она даёт слишком маленькие скорости, отличающиеся от наблюдаемых на 50–80%.
Допустим, мы продолжим упорствовать в модификации гравитации, и не захотим вводить тёмную материю (или какое-нибудь поле или взаимодействие, работающее точно так же, как тёмная материя). Тогда мы можем ввести ещё одну модификацию гравитации, которая вступает в игру на масштабах скоплений. Или мы можем постулировать наличие в скоплениях дополнительной невидимой нам материи — нормальной, не тёмной.
Идея второй модификации теории гравитации на масштабах скоплений выглядит уже менее привлекательной. Что, если на ещё больших масштабах придётся вводить ещё одну? И не будем забывать о такой вещи, как тёмная энергия — если отрицать и её, придётся ввести ещё одну модификацию в нашу теорию.
Есть проблемы и со вторым вариантом — наличия в галактических скоплениях невидимой нам обычной материи. Этому будет противоречить наблюдаемое при помощи некоторых скоплений гравитационное линзирование — отклонение от прямого пути лучей света из-за гравитационного искривления пространства-времени. Этому будет противоречить также рентгеновское излучение разогретых газов, имеющихся внутри некоторых скоплений.
Некоторые скопления находятся в процессе столкновения. Они сближаются друг с другом, сталкиваются, замедляются и сливаются после первоначального взаимодействия. Большая часть нормальной материи естественным образом собирается в группы — это видно по рентгеновскому излучению. При этом гравитационные эффекты работают так, будто два скопления свободно проходят друг сквозь друга, и проявляют себя не в тех местах, где наблюдается скопление больших объёмов нормальной материи. Тогда либо мы должны принять, что гравитация действует быстрее скорости света, либо признать наличие тёмной материи в этих скоплениях.
А когда скопления ещё только собираются столкнуться, и направляются друг к другу, гравитационные эффекты работают в полном соответствии с распределением нормальной материи. Объяснить такое поведение при помощи тёмной материи легко — до столкновения нормальная и тёмная материи распределены примерно одинаково, а во время столкновения они «отделяются» друг от друга. Нормальная материя взаимодействует сама с собой, разогревается, замедляется, начинает излучать в разных диапазонах (особенно в рентгеновском). А тёмная материя просто постепенно успокаивается, поскольку на неё влияет только гравитация. Если упорствовать на модификации гравитации, становится очень трудно объяснить, почему до столкновения скопления ведут себя одним образом, а после — другим. Кроме того, во Вселенной просто нет места для дополнительной нормальной материи — общее количество ограничено сверху первичным нуклеосинтезом. Эта теория, кстати, никак не связана с наличием или отсутствием тёмной материи.
Ну и довершают дело крупномасштабная структура Вселенной (структура распределения вещества Вселенной на самых больших наблюдаемых масштабах — искривление пространства-времени на данном масштабе хорошо описывается общей теорией относительности) и реликтовое излучение. Они тоже требуют либо дополнительных ингредиентов для MOND, либо простого введения тёмной материи. Космическая паутина, распределение галактик, спектральная плотность мощности материи (разница локальной плотности и средней плотности материи в зависимости от масштабов) и некоторые особенности реликтового излучения — всё это требует либо дополнений в MOND, либо тёмной материи.
При рассмотрении модифицированной гравитации как реальной замены тёмной материи все эти проблемы встают в полный рост. Модификации гравитации, работающие на галактических масштабах (и хорошо работающие) не работают нормально на бо́льших масштабах. Чтобы модифицированная гравитация работала и на этих масштабах, вам нужно либо модифицировать её по-другому, добавив изменения, имитирующие поведение тёмной материи, или добавлять дополнительные модификации, одну за одной, пытаясь компенсировать возникающие несоответствия. В любом случае вся прелесть «одной небольшой модификации, решающей массу проблем» у MOND исчезает — зато остаётся заслугой теории тёмной материи.
Частично мы продвигаемся вперед в нашем понимании Вселенной, периодически бросая вызовы нашим самым любимым и общепринятым теориям: пытаясь опровергнуть их со всех сторон и ища альтернативы, которые могут играть их роль так же хорошо или даже ещё лучше. В галактических масштабах модифицированная гравитация вполне может это сделать, а тёмной материи, чтобы лучше соответствовать наблюдениям, приходится решать сложные задачи: работать с нелинейным структурообразованием, обратной связью от звездообразования, динамическим нагревом тёмной материи в ядрах галактик и скоплений и т. д. Но в масштабах скоплений, всего космоса целиком, а также на протяжении всей истории Вселенной тёмная материя чрезвычайно успешна в тех областях, где модифицированная гравитация требует особой упёртости на грани самообмана.
