Скопление галактик на новых весах: темной материи стало вдвое меньше
На протяжении многих лет скопления галактик служили ареной для противостояния двух космологических концепций. С одной стороны была классическая ньютоновская гравитация, требующая для удержания таких структур невидимой темной материи. С другой альтернативные теории, такие как MOND (Модифицированная ньютоновская динамика), предлагающие изменить законы гравитации вместо введения скрытой массы. Каждая сторона искала решающие доказательства в данных наблюдений, и вот, кажется, найден ключевой аргумент.
Под руководством профессора Павла Кроупы из Боннского университета международная команда ученых, применив инновационный подход к анализу звездного населения, сделала открытие: скопления галактик оказались вдвое тяжелее, чем считалось. Но главное — эта дополнительная масса имеет не темную, а вполне «обычную», пусть и экзотическую, природу, и ее происхождение блестяще объясняется в рамках теории Милгрома, бросая серьезный вызов стандартной космологической модели.
Исследование, возглавленное профессором доктором Павлом Кроупой из Института имени Гельмгольца при Боннском университете, при участии коллег из Карлова университета в Праге и Института перспективных исследований в области фундаментальных наук в Зенджане (Иран), коренным образом меняет наше понимание массы и состава крупнейших гравитационно-связанных структур Вселенной — скоплений галактик.
Основной задачей для ученых стала необходимость заново и максимально точно оценить общую массу этих колоссальных образований. Для этого им пришлось интегрировать обширный массив наблюдательных данных, включающий измерения эффекта гравитационного линзирования (которое позволяет «взвешивать» объекты) и детальную информацию о свойствах отдельных галактик внутри скоплений.
Наиболее важным методологическим прорывом в работе стало применение так называемой теории интегрированной функции начальной массы галактик (IGIMF), разработанной в Бонне. Эта теория позволила отказаться от упрощенных предположений о составе галактик и рассчитать реалистичные популяции звезд в них. Ключевым открытием, полученным на основе этих сложных расчетов, стало то, что скопления галактик примерно вдвое тяжелее, чем предполагали предыдущие оценки.
Такая «недостающая» масса была невидима не потому, что состоит из гипотетической темной материи, а потому что она скрыта в форме компактных остатков эволюции звезд — нейтронных звезд и черных дыр, которые трудно напрямую наблюдать. Примечательно, что именно эта масса, происходящая из звездного вещества, одновременно объясняет и наблюдаемое во Вселенной обилие тяжелых химических элементов, рожденных в недрах звезд и при взрывах сверхновых.
Полученный результат имеет далеко идущие теоретические последствия. Новые, более высокие значения масс скоплений демонстрируют поразительное согласие с предсказаниями альтернативной теории гравитации — модифицированной ньютоновской динамики (MOND), предложенной Мордехаем Милгромом. В то же время они создают серьезную проблему для стандартной космологической модели, основанной на ньютоновской гравитации и темной материи.
Согласно выводам исследования, в рамках последней парадигмы для объяснения динамики скоплений теперь требуется примерно вдвое меньше темной материи, чем считалось, что ставит под сомнение внутреннюю непротиворечивость модели. Хотя данная работа представляет собой чисто фундаментальное исследование без прямого прикладного выхода, ее значение трудно переоценить. Она предлагает новое, глубокое понимание фундаментальной связи между пространством-временем, материей и гравитацией, потенциально прокладывая путь к будущим революционным открытиям в физике и, как следствие, к технологиям, которые сегодня мы даже не можем себе представить.