Темная материя берет верх? Новое исследование опровергает альтернативную теорию гравитации
Многолетний спор о темной материи сужается благодаря карликовым галактикам
Международная группа исследователей под руководством ученых из Института астрофизики имени Лейбница в Потсдаме провела масштабное исследование, направленное на разрешение многолетней дискуссии о природе аномально высоких скоростей вращения галактик. Данное явление традиционно объясняется либо присутствием невидимой темной материи, либо необходимостью модификации законов гравитации на космических масштабах, как предполагает теория модифицированной ньютоновской динамики (МОНД).
В исследовании были проанализированы данные о скоростях звезд в двенадцати самых маленьких и тусклых галактиках Вселенной. Эти карликовые галактики представляют особый интерес, поскольку их физические характеристики позволяют проверить конкурирующие теории в экстремальных условиях. Теория МОНД, впервые предложенная в 1980-х годах, постулирует, что законы гравитации изменяются при очень малых ускорениях, что происходит на очень больших расстояниях, и тем самым полностью устраняет необходимость введения концепции темной материи.
Ключевым результатом работы стало обнаружение того, что внутренние гравитационные поля изученных галактик невозможно объяснить только присутствием видимой материи. Предсказания теории МОНД не смогли воспроизвести наблюдаемое динамическое поведение звезд в этих системах. Затем ученые сравнили полученные данные с теоретическими моделями, предполагающими, что галактики окружены массивными гало темной материи. Эти модели, рассчитанные на британском национальном суперкомпьютере DiRAC, продемонстрировали значительно лучшее соответствие наблюдательным данным.
Мариана Жулио, ведущий автор исследования и аспирант Потсдамского института астрофизики, отметила, что хотя наименьшие карликовые галактики давно противоречили прогнозам МОНД, ранее это расхождение можно было объяснить неопределенностями измерений или возможной адаптацией самой теории. В данной работе впервые удалось определить гравитационное ускорение звезд в самых тусклых галактиках с различными радиусами, что позволило детально раскрыть их внутреннюю динамику. Как наблюдения, так и компьютерное моделирование EDGE показали, что гравитационное поле этих галактик не может определяться только видимой материей, что противоречит предсказаниям модифицированной гравитации.
Исследование также ставит под сомнение давнее предположение о поведении галактик, известное как «соотношение радиального ускорения». Астрономы традиционно считали, что существует простая связь между количеством видимой материи в галактике и силой создаваемого ею гравитационного притяжения. Новое исследование показывает, что хотя эта связь сохраняется для более крупных систем, она начинает нарушаться в самых маленьких галактиках. Марсель Павловски, соавтор исследования, подчеркнул, что использование более качественных данных и глубокого анализа позволило определить фактические радиально-разрешенные профили карликовых галактик, что полностью меняет существовавшую картину.
Важным открытием стало наблюдение, что в некоторых случаях одно и то же количество видимой материи может создавать различные гравитационные ускорения. Это позволяет предположить, что на динамическое поведение галактик влияет другой невидимый фактор, наиболее вероятным кандидатом на роль которого является темная материя.
Профессор Джастин Рид из Университета Суррея отметил, что новые данные и методы моделирования позволяют составлять карту гравитационного поля в меньших масштабах, чем когда-либо прежде, предоставляя новое понимание природы темной материи. Результаты исследования показывают, что для определения напряженности гравитационного поля в самых маленьких галактиках недостаточно информации, основанной только на видимой материи. Темная материя кодирует «недостающую информацию», в то время как теории МОНД, по крайней мере предложенные до сих пор, требуют, чтобы гравитационное поле определялось только видимыми компонентами.
Хотя настоящее исследование не раскрывает состав темной материи, оно существенно сужает пространство для альтернативных объяснений. Будущие наблюдения за еще более тусклыми и далекими галактиками, как ожидается, помогут точнее определить природу этой загадочной субстанции, составляющей большую часть массы Вселенной. Работа принята к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics и в настоящее время доступна на сервере препринтов arXiv.