Требуется ли темная материя для объяснения движения космических тел? По всей видимости, да. Астрофизики попытались согласовать альтернативную гипотезу с данными наблюдений вблизи Солнечной системы и даже внутри нее, включая орбиту Сатурна. Результаты оказались разочаровывающими для сторонников MOND.
Эффективная теория гравитации должна с помощью небольшого числа параметров давать объяснение широкому кругу гравитационных явлений. Общая теория относительности в целом успешно описывает поведение гравитации в диапазоне масштабов от микрометров до десятков гигапарсек. Однако существуют явления, которые она не способна объяснить. К примеру, остается неясным, почему края галактических дисков демонстрируют более высокую скорость вращения, чем предсказывают расчеты, и почему они не распадаются. В связи с этим возникла широко распространенная сегодня гипотеза о темной материи. Существуют, однако, и другие варианты. Среди наиболее известных альтернативных теорий гравитации – модифицированная ньютоновская динамика (MOND).
MOND предполагает, что ньютоновский закон всемирного тяготения перестает быть справедливым при малых ускорениях — менее 10 -10 метров в секунду квадратную. Гипотезу предложил в 1983 году израильский физик Мордехай Милгром. Она как раз хорошо объясняет движение тел во внешних областях галактик. Впрочем, у темной материи тоже нет с этим проблем.
Для проверки справедливости теории MOND необходимы дополнительные исследования, опирающиеся на обширные и точные данные наблюдений. Благодаря крупномасштабным проектам, таким как «Гайя», астрономы теперь располагают именно такими данными. В связи с этим в последние годы появляется все больше научных публикаций, посвященных этой теме.
Авторы новой статьи, опубликованной в журнале Місячні записи Королівського астрономічного товариства , применив модифицированную теорию динамики частиц (MOND), мы попытались согласовать ее с различными данными: измерениями, полученными зондом «Кассини» при изучении Сатурна, движением двойных звезд с большим периодом обращения вокруг общего центра в окрестностях Солнечной системы, а также с соотношением центростремительного ускорения (radial acceleration relation, RAR).
Около семи лет назад было обнаружено универсальное соотношение, которое обозначается термином RAR. Это соотношение связывает центростремительное ускорение объектов в галактиках, определяемое по наблюдениям, и ускорение, получаемое при оценке видимой материи в галактике. Согласно ньютоновской теории, эти значения должны быть идентичными. Однако, на практике они не совпадают. В дисковых галактиках это расхождение, вероятно, является прямым следствием модели MOND.
Поскольку эффект MOND проявляется в масштабах галактик, что подтверждается расчетами и исследованиями, логично предположить, что он должен действовать и на меньших расстояниях, в том числе и в пределах Солнечной системы. Однако, обнаружить его в этом случае должно быть сложнее. В связи с этим, авторы новой научной работы использовали данные, полученные с зонда «Кассини» за 13 лет его работы вокруг Сатурна. Длительный период наблюдений позволил астрономам с высокой точностью определить орбиту планеты, анализируя задержку передачи сигналов между зондом и Землей.
Целью проверки является выявление небольшого отклонения орбиты Сатурна, вызванного гравитационным воздействием всей остальной Галактики. В результате этого влияния расчеты, выполненные на основе общей теории относительности, не должны соответствовать расчетам, основанным на гипотезе модифицированной ньютоновской динамики. Остается только сравнить полученные результаты с фактическими данными наблюдений. Ученые сделали это еще 10 лет назад. Тогда им не удалось найти аномалий в орбите «окольцованного» гиганта. В этот раз исследователи пошли дальше — попробовали «подкрутить» гипотезу MOND под данные «Кассини».
Хотя MOND успешно описывает движение объектов внутри галактик, что подтверждается новыми расчетами, эта альтернативная гипотеза не соответствует информации об орбите Сатурна.
«По мнению экспертов, вероятность того, что теория MOND будет соответствовать данным, полученным аппаратом «Кассини», крайне мала и сопоставима с возможностью 59 раз подряд получить выпадение «решки» при подбрасывании монеты», — пояснил один из авторов исследования. Для сравнения: отклонение в пять сигм, «золотой стандарт» для научного открытия, соответствует выпадению решки 21 раз подряд.
Для подтверждения гипотезы MOND потребуется существенное изменение подхода к переходу от ньютоновского тяготения к модели MOND. Однако это противоречит данным о соотношении RAR, которое в последние годы продемонстрировало свою эффективность.
Кроме того, модифицированная ньютоновская динамика (MOND) не находит подтверждения и применительно к двойным звездам с длительным периодом обращения вокруг общего центра масс. Результаты расчетов были сопоставлены с данными, полученными в ходе изучения подобных систем, опубликованного в Ежемесячные сообщения Королевского астрономического общества в январе 2024 года. По MOND такие звезды должны вращаться друг вокруг друга на 20% быстрее, чем показывают расчеты по ОТО. Астрономы не видят подобного расхождения в данных. Чтобы гипотеза MOND работала на таких расстояниях, ее нужно сильно править. Хотя есть ученые, которые считают, двойные звездные системы, по-видимому, подтверждают теорию MOND. Однако в таких масштабах на результаты существенно влияют оценки точности измерений.
В марте 2024-го на сайте препринтов arXiv вышла еще одна работа, посвященная MOND. Ее авторы проверили гипотезу на распределении и движении транснептуновых объектов. И снова альтернативная гипотеза «проиграла» ОТО. Если бы она была верна, «наклон» орбит этих объектов к плоскости Солнечной системы был бы гораздо больше.
Анализ последних исследований позволяет предположить, что модифицированной ньютоновской динамике (MOND) требуется дальнейшая существенная переработка или замена альтернативными гипотезами.