Чи потрібна темна матерія для пояснення руху космічних тіл? Мабуть, усе ж таки потрібна. Для фанатів MOND результати виявилися невтішними.
Сатурн, підсвічений ззаду Сонцем, в об’єктиві “Кассіні”. Знімок опрацьований, зроблений у 2013 році / © NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute
Хороша теорія гравітації має пояснювати якомога більше гравітаційних феноменів, використовуючи мінімум параметрів. Загальна теорія відносності загалом добре працює в масштабах від мікрометрів до десятків гігапарсек. І все ж є феномени, які вона не може пояснити. Наприклад, чому краї галактичних дисків обертаються швидше за розрахунки і при цьому не розлітаються. Так з’явилася популярна сьогодні гіпотеза про існування темної матерії. Звісно, є й альтернативи. Одна з найпопулярніших альтернативних теорій гравітації – модифікована ньютонівська динаміка (MOND).
В основі MOND лежить ідея, що ньютонівська сила тяжіння не працює за малих прискорень – менше ніж 10-10 метрів на секунду квадратну. Гіпотезу запропонував 1983 року ізраїльський фізик Мордехай Мілгром. Вона якраз добре пояснює рух тіл у зовнішніх областях галактик. Утім, у темної матерії теж немає з цим проблем.
Щоб перевірити MOND, потрібні інші дослідження – звісно, засновані на великих і точних масивах даних спостережень. Саме такі дані тепер є в астрономів завдяки масштабним оглядам неба на кшталт проєкту “Гайя”. Саме тому останніми роками з’являється дедалі більше робіт на цю тему.
Автори нової статті, опублікованої у журналі Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, спробували “помирити” MOND одразу з кількома наборами даних: вимірами зонда “Кассіні” біля Сатурна, рухом подвійних зірок зі значним періодом обертання навколо спільного центру на околицях Сонячної системи і так званим співвідношенням доцентрового прискорення (radial acceleration relation, RAR).
Терміном RAR позначають виявлене близько семи років тому універсальне співвідношення між доцентровим прискоренням об’єктів у галактиках, яке виводять зі спостережень, і тим, яке отримують з оцінки видимої матерії в галактиці. У ньютонівській теорії ці значення мають збігатися. У реальності вони розходяться. Головне – у дискових галактиках ця розбіжність, по суті, і має бути прямим наслідком моделі MOND.
Раз ефект MOND помітний у масштабі галактик, що підтверджується розрахунками і дослідженнями, то він має працювати і на менших відстанях, навіть у межах Сонячної системи. Звісно, при цьому його має бути важче помітити. Саме тому автори нової роботи використали дані зонда “Кассіні” за 13 років його польоту навколо Сатурна. Завдяки такому довгому періоду роботи астрономи змогли неймовірно точно виміряти орбіту планети за затримкою передачі сигналів між зондом і Землею.
Ідея перевірки в тому, що тяжіння решти Галактики має трохи відхиляти орбіту Сатурна. Через цей вплив розрахунки орбіти за ЗТВ не повинні збігатися з розрахунками за MOND. Залишається лише зіставити їх із даними спостережень. Вчені зробили це ще 10 років тому. Тоді їм не вдалося знайти аномалій в орбіті “окільцьованого” гіганта. Цього разу дослідники пішли далі – спробували “підкрутити” гіпотезу MOND під дані “Кассіні”.
Незважаючи на те що MOND добре пояснює рух тіл у масштабі Галактики – і нові розрахунки це підтвердили, – альтернативна гіпотеза зовсім не поєднується з даними щодо орбіти Сатурна.
“Імовірність, що MOND співпаде з даними “Кассіні”, рівносильна випаданню решки 59 разів поспіль під час підкидання монетки”, – пояснив один з авторів дослідження. Для порівняння: відхилення в п’ять сигм, “золотий стандарт” для наукового відкриття, відповідає випадінню решки 21 раз поспіль.
Крива обертання галактики M33 (жовті та сині точки) порівняно з очікуваною кривою обертання, розрахованою за видимою матерією. Пояснити цю розбіжність можна впливом темної матерії. MOND пояснює її тим, що при досить малих прискореннях ньютонівська сила тяжіння перестає працювати / © Mario De Leo
Єдине, що може “врятувати” гіпотезу MOND, – набагато різкіший перехід від ньютонівського тяжіння до тяжіння MOND. Ось тільки це вже не збігається з розрахунками за співвідношенням RAR, яке в останні роки довело свою доцільність.
Ба більше, MOND не працює і в масштабі подвійних зірок зі значним періодом обертання навколо спільного центру. Науковці порівняли свої розрахунки з результатами дослідження таких об’єктів, опублікованого у Monthly Notices of the Royal Astronomical Society у січні 2024 року. За MOND такі зірки мають обертатися одна навколо одної на 20% швидше, ніж показують розрахунки за ЗТВ. Астрономи не бачать подібної розбіжності в даних. Щоб гіпотеза MOND працювала на таких відстанях, її потрібно сильно правити. Хоча є вчені, які вважають, що подвійні зірки якраз доводять MOND. Щоправда, в таких масштабах дуже багато залежить від оцінки похибок вимірювань.
У березні 2024-го на сайті препринтів arXiv вийшла ще одна робота, присвячена MOND. Її автори перевірили гіпотезу на розподілі та русі транснептунових об’єктів. І знову альтернативна гіпотеза “програла” ЗТВ. Якби вона була правильною, “нахил” орбіт цих об’єктів до площини Сонячної системи був би набагато більшим.
Загалом, за результатами кількох новітніх робіт можна зробити висновок, що модифіковану ньютонівську динаміку (MOND) потрібно або ще сильніше модифікувати, або відмовитися від неї на користь інших гіпотез.