Темная Материя - Часть 3. Темная Материя или измененная гравитация?

Этан Зигель, Starts with a Bang
28 сентября 2009 года

Вглядываясь глубоко во тьму, стоял я так долго,
удивляясь, боясь, сомневаясь, мечтая о том,
о чем не осмеливался мечтать ни один смертный.
-Эдгар Аллан По, Ворон (Edgar Allen Poe, The Raven)

В темной бездне ночного неба звезды, галактики и скопления сияют как крошечные острова света во тьме глубокого космоса. Весь этот свет, все эти украшения неба над головой создают триллионы триллионов протонов и нейтронов, спаянных вместе в звездах по всей Вселенной.

Но, как мы узнали в первой части этой серии статей, звездный свет составляет всего 2% всей материи Вселенной, как об этом говорит нам гравитация. Более того, мы можем понять, сколько вообще существует нормальной материи (т.е. материи из протонов, нейтронов, электронов и т.п.). Мы исследовали это во второй части, и обнаружили, что это количество - всего 15-20% общего количества материи, но не больше.

Итак, куда мы пойдем от этой точки? Изобретем ли материю нового типа, дав ей общее, маскирующее название, как темная материя или заключим, что гравитация нас обманывает потому, что мы используем неверную теорию?

В принципе, подойдет любое из двух объяснений (хотя лично у меня сильное желание подумать о третьем). Если вы хотите добавить некоторый новый тип материи, ведущей себя не так, как это делает нормальная материя, вы сможете объяснить все те наблюдения, которые мы обсуждали в первых двух частях. Но можно ли просто изменить законы гравитации?

Я говорю вам сейчас, что ответ - скорее всего нет, если вы требуете, чтобы ваша новая теория гравитации имела смысл. И вот три причины, почему.

1.) Общая Теория Относительности (ОТО) работает. Во всех примерах, когда ньютоновские теории пасовали перед результатами наблюдений - смещение перигелия орбиты Меркурия, искривление света звезд и галактик, вариации в импульсах излучения пульсаров и затухании орбит, прецессии (эффекте Ленца-Тирринга), и т.д. -- Эйнштейновская ОТО работает. Если вы хотите модифицировать теорию гравитации, следует учитывать то, что новая теория должна также объяснять все эти случаи.

А это немедленно означает, что модифицированная ньютоновская динамика (МНД) отпадает как заменитель ОТО, поскольку не решает ни одной из указанных выше проблем. Но возможно, путь все же есть - модифицировать ОТО (как попытались Бекенштейн и Моффат), чтобы сохранить все ее достоинства, но избавить от темной материи. Но затем пришли вот эти данные наблюдений.

На снимке два взаимодействующих кластера (скопления) галактик, которые столкнулись буквально прямо сейчас. Откуда мы это узнали? Рентгеновские данные показывают нам со всей очевидностью большой всплеск, который произошел всего лишь несколько миллионов лет назад:

Этот всплеск говорит, где находится большинство нормальной материи - в центре снимка. Вы можете даже увидеть конус ударной волны справа. Но что здесь с гравитацией? Можно посмотреть по данным гравитационной линзы, где находится основная масса.

И это ключ. Можно положить эти снимки один под другим, и будет ясно видно, что большинство массы не там, где большинство гравитации. Что приводит нас к пункту номер 2.

2.) Гравитация не всегда выравнивается по нормальной материи. Это говорит нам о том, что снова, нам нужна темная материя или придется признать, что не права не только ОТО, гравитация работает каким-то чудесным образом. Нам следовало бы как-то модифицировать теорию гравитации, чтобы обобщить ее на все случаи или же принять, что тела притягивают просто пустые места, в которых нет никакой массы! Это звучит обескураживающе, но это единственный способ объяснить наблюдения без использования темной материи.

И так можно сделать! В действительности, Моффат (упомянутый выше), сделал вариант теории, которая работает. Хотя она исключительно запутана математически, он смог получить такую двойную форму гравитации массы без использования темной материи. Конечно, она не локальна, но по крайней мере возможна.

Но, как по мне, там есть две интересные вещи, которые достаточно убедительны, чтобы похоронить всю идею. Подумайте о следующем: как бы выглядело это скопление до столкновения? Гравитация (синий) и нормальная материя (розовый) должны были бы точно соответствовать друг другу. Но после столкновения, они уже не совпадают. Посмотрите на анимацию внизу (дважды щелкните на изображении, чтобы начать/остановить анимацию):

Та же самая измененная теория нелокальной гравитации не работает до столкновения! И это приводит нас к третьему - и на мой взгляд, самому смертельному - возражению против модифицированной гравитации вместо темной материи.

3.) Вам придется или построить отдельную теорию для каждой новой геометрии столкновений кластеров, включая состояние кластера до и после столкновения, или в любом случае использовать темную материю для измененной теории гравитации. Поэтому все что вам нужно - отказаться от измененной теории гравитации? Второй пример сталкивающихся скоплений галактик. Если вам нужна еще одна теория гравитации, несовместимая с первой - значит, измененная теория гравитации не ответ.

Вот, скажем привет кластеру MACS J0025, в оптических лучах:

в рентгеновских:


по данным гравитационной линзы:


и теперь все вместе.

Конфигурации не совпадают - значит, или вам нужна еще одна теория нелокальной измененной гравитации для каждого сталкивающегося кластера во Вселенной или вам нужна темная материя.

Нет, возразите вы, мы не знаем, что из себя представляет темная материя, но нам она нужна. Когда я буду писать часть 4, то пройдусь по наилучшим кандидатам на ее роль, и расскажу, почему я выбрал именно их. Тем временем, вы уже убедились, что нам нужна темная материя, и если да, что вас в моих рассуждениях убедило? Если нет, что показалось неправильным?