Вчені вже майже століття шукають темну матерію – невідому і невидиму субстанцію, з якої зроблена більша частина нашого Всесвіту.
Причина цих упертих пошуків у тому, що без неї важко пояснити той факт, що галактики не дуже підкоряються законам фізики. Однак, поки що всі спроби виявити темну матерію не увінчалися успіхом. Але є й інші підходи, які можуть пояснити причину дивної поведінки галактик.
Про це на сторінках Newsweek пише фізик з Університету Південної Данії Юрій Смірнов, який вказує, що у своєму новому дослідженні показав, як «змінивши» закони гравітації для надзвичайно великих галактик можна взагалі уникнути темної матерії. Швейцарський астроном Фріц Цвікі у 1930-х роках виявив, що швидкість у галактичних кластерах надто висока, щоб можна було визначити, яку кількість матерії люди на Землі можуть побачити. Схожий феномен описали й інші групи астрономів, зокрема Віра Рубін і Кент Форд, які досліджували рух зірок у віддалених частинах галактики Андромеда.
Читайте такожВчені допустили, що Всесвіт може бути на краю бульбашки у четвертому вимірі
Очікувалося, що швидкість зірок подалі від центру галактики буде зменшуватися, оскільки гравітаційні сили будуть менше на них діяти. Адже згідно з другим законом Ньютона, гравітаційне притягання матерії на орбіті напряму залежить від її маси і прискорення. Але дослідження показали, що такого скорочення у швидкості насправді не спостерігається. Саме тому вчені допустили, що може існувати якась невидима матерія, яка ж створювала сильніше гравітаційне притягання і пришвидшувала б рух зірок. В минулі десятиліття інші дослідження гравітаційних систем на дуже великій відстані виявили ту ж проблему.
Нерозгадана загадка про те, що ж таке ця темна матерія насправді, лишається одним з найбільших викликів сучасної фізики. Суть питання в тому, чи це справді невиявлене досі джерело маси у вигляді нового типу матерії. Чи може вся справа в тому, що гравітаційні закони просто інакші для надзвичайно гігантських масштабів.
Хоч перший варіант здається дуже спокусливим, вченим досі не вдалося знайти жодної темної матерії. Також хоч гравітаційні закони добре вивчені і перевірені в межах Сонячної системи, поки доводиться дуже обережно ставитися до спроб перенести цей досвід і на масштаби, які були б в мільярди разів більшими.
Однією з найбільш відомих спроб позбутися потреби в темній матерії стали так звані Змінені закони Ньютона (MOND). Згідно з ними, гравітація стає нерівномірною там, де гравітаційна сила дуже слабка, наприклад на окраїнах галактики. Але ця теорія не пройшла такої ж жорсткої перевірки, як нинішня стандартна модель космології, яка включає темну матерію.
Читайте такожРідина з від'ємною масою: вчені висунули нову теорію будови Всесвіту
Головна проблема в тому, що MOND не може пояснити проблему маси в галактиках і галактичних кластерах одночасно. Інший дуже переконливий аргумент проти цієї теорії полягає в результатах спостережень за зіткненнями між скупченнями галактик, під час яких зірки кожної з галактик проходили повз одна одної, а газові хмари об’єднувалися і лишалися позаду. Відомий приклад – це скупчення галактик Куля, яке складається з двох скупчень, які зіштовхнулися. Спостереження вказують на те, що темна матерія слідує за зірками у цих подіях, оскільки її загальна маса менша, ніж у газових хмар. MOND не може пояснити, чому все відбувається саме так.
Тому, на думку автора, потрібно змінити закони гравітації інакше. Він допускає, що явище, відоме як скрінінг Вайнштейна, існує. Це означає, що кожен досить щільний, компактний об’єкт в космосі генерує невидиму сферу навколо себе, яка і визначає те, як закони фізики будуть функціонувати на великих відстанях. Ці сфери – це теоретична концепція, покликана допомогти усвідомити відмінності між малими і великим масштабами. Це не реальна фізична мембрана.
Тож згідно з теорією Смірнова і його колег, всередині цієї умовної бульбашки закони традиційної ньютонівської гравітації, які спостерігаються в межах Сонячної системи, тримають об’єкти, які взаємодіють з масивним тілом в центрі. За межами бульбашки теорія передбачає, що гравітаційне притягання до центрального об’єкта може бути значно посиленим. Хоч ніякої додаткової маси немає.
Читайте такожНавколо чорної діри в центрі Чумацького шляху можна безпечно рухатися
Розмір бульбашки, на думку вчених, буде пропорційним масі центрального об’єкта. Якщо, наприклад, у галактики ця сфера має радіус в кілька тисяч світлових років (за такої відстані зазвичай і спостерігається дія темної матерії), відповідна сфера навколо нашого Сонця була б до 50 тисяч астрономічних одиниць в діаметрі (астрономічна одиниця – відстань від Соня до Землі). Однак, край Сонячної системи лежить всього на відстані 50 астрономічних одиниць. Іншими словами, там немає об’єктів, за якими можна було б спостерігати, щоб перевірити, чи впливає гравітаційне притягання Сонця на них так само, як і на Землю. Лише спостереження за дуже віддаленими і велетенськими системами дозволяє це зробити.
Цікавим ефектом своєї теорії автор називає те, що розмір ньютонівської бульбашки певним чином зростає разом із закритою масою. Це означає, що закони гравітації будуть змінюватися для різних масштабів у галактиках і галактичних скупченнях відповідно. А отже, це може пояснити ефект появи темної матерії у обох системах одночасно, чого не могла теорія MOND. Більше того, нова теорія співпадає зі спостереженнями у скупченні Куля. Газові хмари залишилися на околицях, тому що вони не достатньо компактні, щоб згенерувати бульбашку навколо себе. Це означає, що темна матерія помітна лише навколо більш компактних зірок.
Читайте такожВчені пояснили, як помре всесвіт
Смірнов додає, що нова теорія також дозволяє пояснити швидкості зірок в галактиках краще, ніж загальна теорія відносності Ейнштейна, яка зробила припущення про існування темної матерії можливим. Тож цілком вірогідно, що загадкова невидима матерія не така вже й таємнича, як здається. А може її немає й взагалі у Всесвіті.
