Реальна ли темная материя?

В 2016 году голландский физик Эрик Верлинде предложил теорию второго типа: возникающую гравитацию. Новое исследование, опубликованное в журнале Astronomy & Astrophysics, расширяет границы наблюдений за темной материей до неизвестных внешних областей галактик и дает переоценку нескольких моделей темной материи и альтернативных теорий гравитации. Измерения силы тяжести 259000 изолированных галактик показывают очень тесную связь между вкладом темной материи и вкладом обычной материи, как это предсказано в теории возникающей гравитации Верлинде и альтернативной модели Модифицированной ньютоновской динамики. Результаты согласуются с компьютерным моделированием Вселенной, в котором предполагается, что темная материя - это «реальный материал».

Новое исследование было проведено международной группой астрономов во главе с Марго Брауэр. В 2016 году Брауэр также провела первую проверку идей Верлинде; на этот раз к исследовательской группе присоединился и сам Верлинде.

Материя или гравитация?

До сих пор темная материя никогда не наблюдалась напрямую - отсюда и название. То, что астрономы наблюдают в ночном небе, - это последствия потенциально присутствующей материи: искривление звездного света, звезды, которые движутся быстрее, чем ожидалось, и даже влияние на движение целых галактик. Без сомнения, все эти эффекты вызваны гравитацией, но вопрос в том, действительно ли мы наблюдаем дополнительную гравитацию, вызванную невидимой материей, или сами законы гравитации - это то, что мы еще не полностью поняли?

Чтобы ответить на этот вопрос, в новом исследовании используется метод, аналогичный использовавшемуся в первоначальном тесте в 2016 году. Ученые используют продолжающуюся серию фотографических измерений, начатую десять лет назад: исследование KiloDegree Survey (KiDS), проведенное с помощью обзорного телескопа ESO VLT в Чили. В наблюдениях измеряется, как свет звезд из далеких галактик отклоняется силой тяжести на пути к нашим телескопам. В 2016 году измерения таких «линзовых эффектов» охватывали только площадь около 180 квадратных градусов на ночном небе, и были расширены примерно до 1000 квадратных градусов, позволяя исследователям измерить распределение силы тяжести примерно в миллионе различных галактик.

Сравнительное тестирование

Брауэр и ее коллеги отобрали более 259 000 изолированных галактик, для которых смогли измерить так называемое «отношение радиального ускорения» (RAR). Это RAR сравнивает величину гравитации, ожидаемую на основе видимого вещества в галактике, с величиной гравитации, которая действительно присутствует. Иными словами, результат показывает, сколько существует «дополнительной» гравитации в дополнение к гравитации, создаваемой нормальным веществом. До сих пор количество дополнительной гравитации определялось только во внешних областях галактик путем наблюдения за движением звезд, а в области, примерно в 5 раз большей, путем измерения скорости вращения холодного газа. Используя линзирующие эффекты гравитации, исследователи теперь могли определять RAR при силе гравитации, которая была в 100 раз меньше, что позволяло им проникать намного глубже в области, находящиеся далеко за пределами отдельных галактик.

Это позволило чрезвычайно точно измерить дополнительную гравитацию - но является ли эта гравитация результатом невидимой темной материи или нужно улучшить наше понимание самой гравитации? Автор Кайл Оман указывает, что предположение о «реальных вещах», по крайней мере, частично, похоже, работает: «В нашем исследовании мы сравниваем измерения с четырьмя различными теоретическими моделями: две, которые предполагают существование темной материи и составляют основу компьютерного моделирования нашей Вселенной, и два, которые изменяют законы гравитации - модель эмерджентной гравитации Эрика Верлинде и так называемая «Модифицированная ньютоновская динамика» или MOND. Одна из двух имитаций темной материи, MICE, делает прогнозы, которые очень совпадают с нашими измерениями. Для нас стало неожиданностью, что другое моделирование, BAHAMAS, привело к очень разным предсказаниям. То, что предсказания двух моделей вообще различались, уже было удивительно, поскольку модели очень похожи. Более того, мы ожидали, что при обнаружении разницы лучше будет работать BAHAMAS. Он гораздо более подробная модель, чем MICE. Тем не менее, MICE работает лучше, если мы сравним его прогнозы с нашими измерениями. В будущем, основываясь на наших выводах, мы хотим продолжить изучение причин различий между симуляциями».

Молодые и старые галактики

Похоже, что одна модель темной материи действительно работает. Но альтернативные модели гравитации также предсказывают измеренный RAR. Какая же модель верна? Марго Брауэр, возглавлявшая исследовательскую группу, продолжает: «Основываясь на тестах, мы пришли к первоначальному выводу, что две альтернативные модели гравитации и MICE достаточно хорошо соответствуют наблюдениям. Но самое захватывающее было еще впереди: потому что у нас был доступ более чем 259 000 галактик. Мы могли бы разделить их на несколько типов - относительно молодые синие спиральные галактики по сравнению с относительно старыми красными эллиптическими галактиками». Эти два типа галактик возникают по-разному: красные эллиптические галактики образуются, когда разные галактики взаимодействуют, например, когда две синие спиральные галактики проходят близко друг к другу или даже сталкиваются. В результате в рамках теории частиц темной материи ожидается, что соотношение между регулярной и темной материей в различных типах галактик может быть разным. С другой стороны, такие модели, как теория Верлинде и MOND, не используют частицы темной материи и поэтому предсказывают фиксированное соотношение между ожидаемой и измеренной гравитацией в двух типах галактик, то есть независимо от их типа.

«Мы обнаружили, что RAR для двух типов галактик значительно различаются. Это было бы сильным намеком на существование темной материи как частицы», сообщает Брауэр.

Но есть нюанс: газ. Многие галактики окружены диффузным облаком горячего газа, которое очень трудно наблюдать. Если бы это было так, что вокруг молодых голубых спиральных галактик почти не было бы газа, а старые красные эллиптические галактики жили в большом газовом облаке - примерно такой же массы, как сами звезды, - тогда это могло бы объяснить разницу в RAR между двумя типами. Следовательно, чтобы прийти к окончательному заключению об измеренной разнице, необходимо также измерить количество диффузного газа - а это как раз то, что невозможно с помощью телескопов KiDS. Другие измерения были выполнены для небольшой группы из примерно сотни галактик, и эти измерения действительно обнаружили больше газа вокруг эллиптических галактик, но все еще неясно, насколько репрезентативны эти измерения для 259000 галактик, которые были изучены в текущем исследовании.

Если окажется, что дополнительный газ не может объяснить разницу между двумя типами галактик, то результаты измерений будет легче понять с точки зрения частиц темной материи, чем с точки зрения альтернативных моделей гравитации. Но и тогда вопрос еще не решен. Хотя измеренные различия трудно объяснить с помощью MOND, Эрик Верлинде все же видит выход для своей собственной модели. Верлинде: «Моя текущая модель применима только к статическим, изолированным сферическим галактикам, поэтому нельзя ожидать, что можно будет различать разные типы галактик. Я рассматриваю эти результаты как вызов и вдохновение для разработки асимметричной, динамической версии моей теории в какие галактики с другой формой и историей могут иметь различное количество «видимой темной материи».

Поэтому даже после новых измерений спор между темной материей и альтернативными теориями гравитации еще не урегулирован. Тем не менее, новые результаты - это большой шаг вперед: если измеренная разница в гравитации между двумя типами галактик верна, то окончательная модель, какая бы она ни была, должна быть достаточно точной, чтобы объяснить её. Это означает, что многие существующие модели могут быть отброшены, что значительно сокращает спектр возможных объяснений. Кроме того, новое исследование показывает, что необходимы систематические измерения горячего газа вокруг галактик. Эдвин Валентийн формулирует следующее: «Как астрономы-наблюдатели, мы достигли точки, когда можем измерить дополнительную гравитацию вокруг галактик точнее, чем количество видимой материи. Противоречивый вывод состоит в том, что сначала нужно измерить присутствие обычной материи в форме горячего газа вокруг галактик, прежде чем будущие телескопы, такие как Евклид, наконец смогут разгадать загадку темной материи».