Астрономические наблюдения могут подтвердить альтернативную теорию гравитации

Астрофизики наблюдали загадочное поведение звездных скоплений, которое, кажется, бросает вызов нынешнему пониманию гравитации в космических масштабах. Любопытно, что наблюдения согласуются с альтернативной теорией гравитации, которая может отрицать необходимость существования темной материи.

Закон всемирного тяготения Ньютона по-прежнему хорошо объясняет крупномасштабную структуру и движения Вселенной, хотя он был вытеснен общей теорией относительности Эйнштейна. Но теперь были сделаны новые наблюдения, которые не совсем соответствуют принятым в настоящее время моделям.

Международная группа астрофизиков исследовала рассеянные звездные скопления, в которых тысячи молодых звезд рождаются из большого облака пыли и газа. Эти скопления имеют относительно короткую продолжительность жизни, прежде чем они растворятся, поскольку звезды дрейфуют в два «хвоста» — один перед скоплением и один позади.

«Согласно законам тяготения Ньютона, вопрос о том, в каком из хвостов окажется звезда, — дело случая», — говорят ученые. «Значит, оба хвоста должны содержать примерно одинаковое количество звезд. Однако в нашей работе мы впервые смогли доказать, что это не так: в исследованных нами скоплениях передний хвост всегда содержит значительно больше звезд, близких к скоплению, чем задний хвост».

В прошлом было сложно определить, какая из звезд скопления принадлежит какому хвосту, но исследователи разработали метод для определения этого. Они называют это методом компактной точки схождения (CCP), и он был применен к данным о четырех рассеянных звездных скоплениях, собранным в ходе таких обзоров, как миссия Gaia.

К своему удивлению, ученые обнаружили, что во всех четырех скоплениях в ведущем хвосте было гораздо больше звезд, чем в заднем, что явно противоречит законам Ньютона.

Затем команда смоделировала движения звезд в этих скоплениях в соответствии с другой гипотезой, известной как модифицированная ньютоновская динамика (MOND). По сути, эта модель предполагает, что эффекты гравитации сильнее при малых ускорениях, чем в законах Ньютона. И что интересно, предсказания этой модели очень хорошо совпали с наблюдениями.

«Проще говоря, согласно MOND, звезды могут покинуть скопление через две разные двери», — сказал профессор Павел Крупа, первый автор исследования.

«Одна ведет к заднему приливному хвосту, другая — к переднему. Однако первая намного уже второй — поэтому вероятность того, что через нее звезда покинет скопление, меньше. С другой стороны, теория гравитации Ньютона предсказывает, что обе двери должны быть одинаковой ширины».

Это не единственный способ, которым модель MOND лучше соответствует реальным наблюдениям. Было обнаружено, что звездные скопления в близлежащих галактиках растворяются быстрее, чем предсказывают законы Ньютона, но это будет естественным побочным продуктом MOND.

Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) — это гипотеза, которая предлагает модификацию закона всемирного тяготения Ньютона для учета наблюдаемых свойств галактик. Это альтернатива гипотезе о темной материи с точки зрения объяснения того, почему галактики, по-видимому, не подчиняются понятным в настоящее время законам физики.

Созданная в 1982 году и впервые опубликованная в 1983 году израильским физиком Мордехаем Милгромом, первоначальная мотивация гипотезы заключалась в том, чтобы объяснить, почему наблюдалось, что скорости звезд в галактиках больше, чем ожидалось на основе ньютоновской механики. Милгром отметил, что это несоответствие можно было бы устранить, если бы гравитационная сила, испытываемая звездой во внешних областях галактики, была пропорциональна квадрату ее центростремительного ускорения (в отличие от самого центростремительного ускорения, как во втором законе Ньютона) или, альтернативно, если гравитационная сила стала меняться обратно пропорционально линейно с радиусом (в отличие от обратного квадрата радиуса, как в законе всемирного тяготения Ньютона). В MOND нарушение законов Ньютона происходит при чрезвычайно малых ускорениях, характерных для галактик, но значительно меньших, чем все, что обычно встречается в Солнечной системе или на Земле.

Еще одно важное следствие MOND может изменить астрофизику в том виде, в каком мы ее знаем: если бы все это было правдой, то темной материи не существовало бы.

Это загадочное вещество было придумано в 1930-х годах для объяснения расхождений в наблюдаемом движении звезд и галактик, которые, как было замечено, двигались слишком быстро для той массы, которую они, по-видимому, содержали.

Темная материя заполняет пробел, добавляя огромное количество невидимой массы, которую ученые ищут с тех пор. Десятилетия экспериментов, направленных на обнаружение частиц темной материи, пока так ни к чему и не привели.

Тем не менее, темная материя является преобладающей теорией, потому что она очень хорошо объясняет многие наблюдаемые особенности Вселенной, и есть множество других свидетельств, указывающих на ее существование.

Хотя были и другие данные наблюдений, подтверждающие MOND, она остается второстепенной гипотезой, которая не получила широкого признания в научном сообществе.

Авторы нового исследования в настоящее время изучают другие методы для создания более точных симуляций, которые затем можно было бы применить к другим астрономическим объектам, чтобы найти больше доказательств за или против MOND.

Исследование было опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.