Пришло время отказаться от темной материи в пользу новой теории гравитации

Это заставило физиков предположить, что невидимая субстанция, называемая «темной материей», обеспечивает дополнительное гравитационное притяжение, заставляющее звезды ускоряться — теория, которая стала чрезвычайно популярной. Но в недавнем обзоре ученые предположили, что наблюдения в широком диапазоне масштабов гораздо лучше объясняются альтернативной теорией гравитации, предложенной израильским физиком Мордехаем Милгромом в 1982 году и получившей имя динамики Милгрома или MOND (модифицированная ньютоновская динамика), которая не требует наличия невидимой материи.

Главный постулат MOND в том, что, когда гравитация становится очень слабой, как это происходит на краю галактик, она начинает вести себя иначе, чем в ньютоновской физике. Таким образом, можно объяснить, почему звезды, планеты и газ на окраинах более 150 галактик вращаются быстрее, чем ожидалось, основываясь только на их видимой массе. Но MOND не просто объясняет такие кривые вращения, во многих случаях он их предсказывает.

Философы науки утверждают, что сила предсказания делает MOND выше стандартной космологической модели, которая предполагает, что во Вселенной больше темной материи, чем видимой материи. Это связано с тем, что, согласно модели, количество темной материи в галактиках весьма неопределенно и зависит от деталей формирования галактики, которые мы не всегда знаем. Это делает невозможным предсказать, как быстро должны вращаться галактики. Но такие прогнозы регулярно делаются с MOND, и пока они подтверждаются.

Представьте, что известно распределение видимой массы в галактике, но еще не знаем скорость вращения. В стандартной космологической модели можно только с некоторой уверенностью сказать, что скорость вращения будет между 100 и 300 км/с на окраинах. MOND делает более определенный прогноз, что скорость вращения должна быть в диапазоне 180–190 км/с.

Если позже наблюдения выявят скорость вращения 188 км/с, то это согласуется с обеими теориями, но очевидно, что предпочтение отдается MOND. Это современная версия бритвы Оккама — самое простое решение предпочтительнее более сложного, в данном случае нужно объяснять наблюдения как можно меньшим числом «свободных параметров». Свободные параметры — это константы (определенные числа, которые нужно подставить в уравнения, чтобы они работали). Но они не даны самой теорией и нет причин, по которым они должны иметь какую-то особую ценность, — поэтому необходимо измерять их наблюдательно. Примером может служить гравитационная постоянная G в теории гравитации Ньютона или количество темной материи в галактиках в рамках стандартной космологической модели.

Ученые ввели понятие теоретической гибкости, чтобы уловить основную идею бритвы Оккама о том, что теория с большим количеством свободных параметров согласуется с более широким диапазоном данных, что делает ее более сложной. Ученые использовали эту концепцию при проверке стандартной космологической модели и MOND на различных астрономических наблюдениях, таких как вращение галактик и движения внутри скоплений галактик.

Каждый раз давалась теоретическая оценка гибкости от –2 до +2. Оценка –2 указывает на то, что модель делает четкий и точный прогноз без просмотра данных. И наоборот, +2 означает, что «все допустимо» — теоретики смогли бы подогнать почти любой правдоподобный результат наблюдений (потому что существует очень много свободных параметров). Так же оценивалось, насколько хорошо каждая модель соответствует наблюдениям: +2 указывает на отличное согласие, а –2 для наблюдений, которые ясно показывают, что теория ошибочна. Затем вычитаем теоретическую оценку гибкости из оценки согласованности с наблюдениями, поскольку хорошее сопоставление данных — это хорошо, а способность подогнать что угодно — плохо.

Хорошая теория должна делать четкие прогнозы, которые впоследствии подтверждаются, в идеале получая совокупный балл +4 во многих различных тестах (+2 - (-2) = +4). Плохая теория получит оценку от 0 до -4 (-2 - (+2) = -4). В этом случае точные предсказания не сработают — они вряд ли сработают с неправильной физикой.

Был вычислен средний балл для стандартной космологической модели -0,25 по 32 тестам, в то время как MOND набрал в среднем +1,69 по 29 тестам. Баллы для каждой теории во многих различных тестах показаны на рисунках 1 и 2 ниже для стандартной космологической модели и модели Монда соответственно.

Сразу видно, что для MOND не было выявлено серьезных проблем, что, по крайней мере, правдоподобно согласуется со всеми данными (обратите внимание, что две нижние строки, обозначающие фальсификации, пусты на рисунке ниже).

Проблемы с темной материей

Один из самых поразительных недостатков стандартной космологической модели связан с «галактическими перемычками» — стержнеобразными яркими областями, состоящими из звезд, — которые часто есть в центральных областях спиральных галактик. Перемычки вращаются с течением времени. Если бы галактики были окружены массивными ореолами темной материи, их перемычки замедлились бы. Но большинство, если не все, наблюдаемые перемычки галактик быстрые. Это очень достоверно опровергает стандартную космологическую модель.

Другая проблема заключается в том, что первоначальные модели, которые предполагали, что у галактик есть гало из темной материи, совершили большую ошибку — они предполагали, что частицы темной материи обеспечивают гравитацию материи вокруг нее, но не подвержены гравитационному притяжению обычной материи. Это упростило расчеты, но не отражает реальности. Когда это было принято во внимание в последующих симуляциях, стало ясно, что ореолы темной материи вокруг галактик не могут достоверно объяснить их свойства.

Есть много других недостатков стандартной космологической модели, которые исследовались в обзоре, и MOND часто мог естественным образом объяснить наблюдения. Причина, по которой стандартная космологическая модель, тем не менее, так популярна, может быть связана с вычислительными ошибками или ограниченными знаниями о ее недостатках, некоторые из которых были обнаружены совсем недавно. Это также может быть связано с нежеланием людей корректировать теорию гравитации, которая оказалась столь успешной во многих других областях физики.

Огромный отрыв MOND от стандартной космологической модели в исследовании привел к заключению, что имеющиеся наблюдения сильно благоприятствуют MOND. Сложно утверждать, что MOND идеален, но он дает правильную общую картину — галактикам действительно не хватает темной материи.