Может ли темная материя вовсе не существовать?

Говорят, что темной материи больше всего во Вселенной (если говорить о материи вообще). И все же в повседневной жизни мы с ней практически не сталкиваемся. Мы знаем Солнце — самый массивный объект в Солнечной системе — оно состоит из обычной материи (протонов, нейтронов и электронов), но есть еще масса других источников, включая планеты, газ, пыль, плазму и останки звезд. Темной материи среди них нет — и даже Стандартная модель не описывает ее частиц. Конечно, темная материя — не единственный вариант объяснить наблюдаемые гравитационные явления во Вселенной. Другой вариант — модифицировать теорию гравитации, что пытались сделать уже очень многие. На этой почве выросла идея Модифицированной Ньютоновской Динамики (MOND) и другие теории, которые пока являются популярными альтернативами темной материи.

Чтобы с чего-то начать, нам нужно вернуться в 1800-е годы и поговорить о проблеме, которая существовала задолго до «пропавшей массы» (или «пропавшего света»), которую пытаются решить темная материя и MOND: проблеме Урана и Меркурия. Закон всемирного тяготения, выдвинутый Ньютоном еще в 1600-е годы, был невероятно успешным в описании всего — насколько нам известно — к чему применялся. От движения снарядов до катящихся объектов; от веса объектов до тиканья маятниковых часов; от плавучести лодки до орбиты Луны вокруг Земли, сила тяжести Ньютона никогда не подводила.

Три закона Кеплера, особый случай гравитационной формулы Ньютона, применялся ко всем известным планетам в одинаковой степени:

1. Планеты двигаются по эллипсам с Солнцем в одном из фокусов.
2. Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади.
3. Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет.

Известные внутренние и внешние миры все подчинялись этим законам, так что никаких отклонений не выявляли сотни лет. Но с открытием Урана в 1781 году что-то изменилось. В то время как последняя из открытых планет двигалась по эллипсу вокруг Солнца, она двигалась с неправильной скоростью, если сравнивать с предсказанной законами тяготения.

В первые 20 лет с момента открытия она двигалась быстрее, каждую ночь и каждый год, чем предписывали законы. В течение следующих 20-25 лет планета двигалась в точном соответствии законам. Но потом замедлялась, и скорость падала ниже прогнозируемой.

Была ли ошибка в законе тяготения? Возможно. Но также возможно, что было немного больше материи — чего-то невидимого, темной материи — которая оказывала влияние на Уран, вызывая нарушения в его орбите. Это уже больше похоже на правду. После теоретический войны между Урбеном Леверье и Джоном Коучем Адамсом, которые работали независимо и делали прогнозы относительно местоположения новой планеты, прогнозы Леверье подтвердил Иоганн Галле и его помощник Генрих д’Арре 23 сентября 1846 года. Была обнаружена планета Нептун, первый объект, существование которого было выведено по эффектам, оказываемым его массой: гравитационным влиянием.

С другой стороны, внутренняя планета Меркурий — благодаря увеличению точности наблюдений и в сочетании с вековыми данными — начала демонстрировать еще более странное нарушение законов гравитации. Если законы Кеплера предсказывали, что планеты должны двигаться по идеальным эллипсам с Солнцем в одном из фокусов, то при условии, что нет других масс, нарушающих или оказывающих влияние на систему. Но масс вокруг нет, а Меркурий не движется по идеальному эллипсу. Его эллипс прецессирует с течением времени.

Используя законы тяготения Ньютона, мы могли бы учесть влияние всех известных планет (в том числе и Нептуна). Проделав все это, мы обнаружили бы, что остается небольшое расхождение между предсказанным и наблюдаемым: прецессия в 43» на столетие, или 0,012 градуса на столетие. Но это не было случайностью.

Каким же будет объяснение на этот раз? Связана ли эта новая невидимая масса с недрами Меркурия? Или же реальная проблема закралась в закон гравитации? Основательные поиски ответа на этот вопрос привели к новой теоретической планете Вулкан, которая должна была быть ближе к Солнцу, чем все остальные. Но никакого Вулкана не нашли. Решение пришло в 1915 году, когда Эйнштейн изложил свою общую теорию относительности.

Теперь промотаем время до 1970-х годов — до ряда научных наблюдений Веры Рубин. Мы наблюдаем отдельные галактики — в частности, галактики «с ребра» — и измеряем их профили скорости. Мы смотрим на одну сторону галактики и видим, что она движется по направлению к нам (по синему смещению), смотрим на другую — она удаляется от нас (по красному смещению), и так определяем вращение галактики. Чего мы от них ждем? Подобно нашей Солнечной системе, внутренние звезды должны вращаться быстрее, и чем дальше от центра, тем ниже должна быть скорость. Но это не то, что мы находим.

Вместо этого скорость вращения каждой отдельной галактики остается постоянной вне зависимости от дистанции. Почему? Опять же, есть два варианта: либо законы гравитации требуют улучшения, либо мы должны предположить существование невидимой лишней массы.

Явление MOND впервые подметил Моти Милгром в 1981 году, который заметил, что если мы изменили бы закон тяготения при очень малых ускорениях — что-то вроде долей нанометра в секунду в квадрате — мы могли бы объяснить эти ротационные кривые. Кроме того, та же модификация, одна-единственная и последовательная, могла бы объяснить вращение всех галактик, от самых малых до самых больших. MOND до сих пор это делает, и делает хорошо.

Темная материя, с другой стороны, предполагает, что в дополнение к обычным частицам Стандартной модели и обычной материи из «протонов, нейтронов и электронов», которые составляют почти все, что мы знаем, существует новый тип материи. Чтобы объяснить вращательный феномен, предложили ввести большое гало материи, которая не взаимодействует со светом, но и не слипается, и не взаимодействует с обычной материей, кроме как гравитационно. Такой была идея темной материи.

Темная материя может объяснить эти ротационные кривые, но делает это не так хорошо, как MOND. Численное моделирование для гало, которые производят даже самые простые модели темной материи, не соответствует наблюдениям; гало слишком «сбитые» в центре и слишком «пушистые» на окраине. (С технической точки зрения они кажутся более изотермическими, чем ожидается). Короче, поначалу MOND была явным лидером.

Но там, дальше, началась целая Вселенная. Когда вы предлагаете новую теорию, чтобы заменить старую — как общая теория относительности заменила законы Ньютона, — ваша теория должна удовлетворить три принципа:

1. Она должна воспроизвести весь успех предыдущей лидирующей теории.
2. Она должна успешно объяснить новое явление (или явления), ради которого создавалась.
3. И она должна сделать новые предсказания, которые будут экспериментально или наблюдательно проверены, подтверждены или опровергнуты, чтобы это было уникально для новой теории.

Мы говорим обо всех успехах предыдущей ведущей теории, а они многочисленны.

Есть гравитационное искривление звездного света массой, сильное и слабое гравитационное линзирование. Есть эффект Шапиро. Есть гравитационное замедление времени и гравитационное красное смещение. Есть концепция Большого Взрыва и концепция расширяющейся Вселенной. Есть движения галактик внутри скоплений и кластеризация самих галактик на самых больших масштабах.

В случае со всеми этими примерами — всеми — MOND терпит сокрушительное поражение, либо не предлагая никаких прогнозов, либо делая прогнозы, которые вступают в удручающее противоречие с имеющимися данными. Вы можете справедливо заметить, что MOND никогда не собиралась быть полной теорией, а скорее описанием одного явления, которое может привести к более полной теории. Многие люди работают над расширением MOND, которое могло бы объяснить эти наблюдения, но пока безуспешно.

Но если вы продолжите закон гравитации Эйнштейна и просто добавите новый ингредиент, холодную темную материю, вы можете объяснить все, включая и некоторые новые необычные нюансы.

Вы можете объяснить картину кластеризации, которая наблюдается в крупномасштабной структуре Вселенной, если у вас будет в пять раз больше темной материи, чем обычной.

И что особенно впечатляет, вы можете сделать совершенно новое предсказание: когда сталкивается два скопления галактик, газ в них нагревается, замедляется и излучает рентгеновские лучи, тогда как масса, которую мы видим с помощью гравитационного линзирования, следует за темной материей и подменяется рентгеновскими лучами. Это новое предсказание было подтверждено экспериментально и держится уже десять лет, являя собой непрямое подтверждение существования темной материи.

У MOND есть преимущество: она объясняет кривые вращения галактик лучше, чем темная материя. Но это не физическая теория и она не соответствует полному набору наблюдений, которые мы имеем. Темная материя существует — по крайней мере в теории — поскольку она дает нам все ту же Вселенную, последовательную, без каких-либо модификаций.

Но в настоящее время неудачи MOND, космологические, ставят ее ниже темной материи. Пусть воспроизведет все успехи ОТО, объяснит новые явления, сделает прогнозы, которые можно будет подтвердить — и ученые несомненно обратятся в новую веру. Ведь они хорошие ученые.