Исследователи из Боннского университета (Германия) и Калифорнийского университета в Ирвайне (США) разработали «тест», который мог бы дать ответ на острый вопрос в астрофизике: действительно ли существует темная материя? Или нужно модифицировать закон всемирного тяготения Ньютона? Новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, показывает, что ответ скрыт в движении звезд в небольших галактиках-спутниках Млечного Пути.
Используя один из самых быстрых суперкомпьютеров в мире, ученые смоделировали распределение материи так называемых «карликовых» галактиках-спутниках. Это небольшие галактики, которые вращаются по орбите более крупной галактики – такой, как Млечный Путь или Андромеда – под действием сил гравитации. Исследователи сосредоточились на отношениях между видимой материей и радиальным ускорением (radial acceleration relation, RAR). В дисковых галактиках звезды движутся по круговым орбитам вокруг галактического центра. Ускорение, которое заставляет их менять направление, вызвано притяжением материи в галактике. Распределение в галактике видимой материи определят ее радиальное ускорение.
Ученые впервые смоделировали это ускорение карликовых галактик, исходя из предположения, что темная материя существует. Как отмечает профессор Кристиано Порциани (Cristiano Porciani) из Института астрономии имени Ф. В. А. Аргеландера при Боннском университете, оказалось, что при таком сценарии эти галактики ведут себя как уменьшенные версии более крупных галактик. Но что, если нет темной материи, а гравитация работает иначе, чем думал Ньютон? «В этом случае RAR карликовых галактик сильно зависит от расстояния до их "родительской" галактики», – объясняет исследователь Эмилио Романо-Диас (Emilio Romano-Díaz). Если же темная материя существует, то эта зависимость не работает.
Это различие делает галактики-спутники мощным показателем, «лакмусовой бумажкой», по которой можно проверить, действительно ли темная материя существует. Космический аппарат Gaia, который был запущен Европейским космическим агентством (ЕКА) в 2013 году, может дать ответ на поставленный выше вопрос. Этот аппарат был разработан для беспрецедентного изучения звезд в Млечном Пути и его галактик-спутников и собрал большой объем данных. Однако для анализа всей информации, вероятно, потребуются годы. Одиночных измерений недостаточно для проверки тех различий, которые ученые обнаружили в своей компьютерной модели. Но повторное исследование одних и тех же звезд каждый раз улучшает измерения. Рано или поздно должна появиться возможность определить, ведут себя карликовые галактики так, как если бы в них присутствовала темная материя, или нет.
Вопрос о существовании темной материи сегодня является одной из самых актуальных проблем в космологии. Впервые о ней заговорили более 80 лет назад: в 1933 году швейцарский астроном Фриц Цвикки (Fritz Zwicky) первым употребил термин «темная материя». Ученый понял, что галактики движутся так быстро в скоплениях галактик, что они должны фактически дрейфовать друг от друга. Он измерил радиальные скорости восьми галактик в скоплении Кома (находится в созвездии Волосы Вероники) и обнаружил, что для устойчивости скопления приходится предположить, что его полная масса в десятки раз больше, чем масса входящих в него звёзд. Поэтому ученый постулировал наличие невидимой материи, которая благодаря своей массе обладает достаточной гравитацией для сохранения галактик на наблюдаемых орбитах. В 1970-х годах его коллега из США Вера Рубин обнаружила подобное явление в спиральных галактиках, таких как Млечный Путь, – они вращаются так быстро, что центробежная сила должна разорвать их на части, если присутствует только видимое вещество.
Сегодня большинство физиков убеждены, что темная материя составляет около 80% массы Вселенной. Поскольку она не взаимодействует со светом, ни один телескоп не может ее увидеть. Тем не менее, ее существование отлично объясняет некоторые феномены – например, распределение фонового излучения, послесвечение Большого Взрыва. Темная материя также дает хорошее объяснение расположения и скорости образования галактик во Вселенной. Однако, несмотря на многочисленные экспериментальные усилия, нет прямого доказательства существования этой загадочной материи. Это привело астрономов к мысли о том, что, возможно, дело в не в темной материи. Возможно, сама гравитационная сила ведет себя иначе, чем считалось ранее.
В 1873 году Мордехай Милгром (Mordehai Milgrom), физик из Вейцмановского Института в Израиле, предложил внести изменения в закон всемирного тяготения Ньютона. Так появилась теория, названная модифицированной ньютоновской динамикой (MOND). «Классическая» ньютоновская теория предполагает, что чем дальше объект находится от центра, тем меньше его скорость. MOND же говорит о существовании постоянной скорости вращения. Согласно новой теории, притяжение между двумя массами подчиняется законам Ньютона только при относительно больших ускорениях. При очень малых, преобладающих в галактиках, гравитация становится значительно сильнее – поэтому галактики не разрываются из-за их скорости вращения, и теория MOND может обойтись без темной материи.
Новое исследование открывает возможность для астрономов проверить, какая из теорий верна.
[Фото: phys.org]
