Корейский астроном, изучив движение двойных звезд, нашел нарушения в законе тяготения Ньютона, которые могут проявляться на больших расстояниях между телами. Израильский астрофизик, еще 40 лет назад предположивший, что такие нарушения существуют, в своей знаменитой теории MOND, рассказал RTVI, ждать ли теперь переворота в астрофизике.
Одной из нерешенных проблем современной астрофизики является объяснение странностей во вращении звезд и газовых облаков в большинстве известных спиральных и дисковых галактик. Еще в 1933 году астроном Фриц Цвикки обнаружил, что отдельные галактики в скоплении галактик Волос Вероники движутся слишком быстро для своих масс, по какой-то причине не разлетаясь в разные стороны, как будто их удерживает некая дополнительная сила помимо притяжения видимого вещества. А в конце 1960-х годов астроном Вера Рубин показала, что в далеких спиральных галактиках облака газа движутся вокруг их центра быстрее, чем это предполагается ньютоновской динамикой.
То же наблюдение касается звезд в галактиках — если бы их притягивало только вещество в центре галактик, их орбитальные скорости падали бы с удалением от центра, вместо этого наблюдения показывают, что большинство галактик вращаются почти «твердотельно», подобно диску грампластинки. То есть звезды в галактиках не демонстрируют снижение орбитальной скорости с удалением от центра, что наблюдается, например, с планетами Солнечной системы и соответствует закону всемирного тяготения Ньютона.
Так в астрофизику было введено понятие темной материи — гипотетической субстанции, существующей в гало большинства галактик, которая оказывает дополнительное воздействие на звезды помимо обычного, барионного вещества. Темная материя является ключевым моментом существующей космологической модели LCDM (Lambda-CDM model), однако главной проблемой является то, что за долгие годы ученым не удалось обнаружить частицы-носители этой загадочной субстанции.
Впрочем, 40 лет назад для объяснения странного поведения звезд в галактиках было предложено другое решение, без привлечения темной материи. В 1983 году израильский астрофизик из Института Вейцмана Мордехай Милгром предложил так называемую Модифицированную ньютоновскую динамику (MOND) — альтернативную теорию гравитации, предполагающую добавление нового члена в закон тяготения Ньютона. Эта модификация позволяет объяснить аномальное движение тяготеющих тел при большом расстоянии между ними.
Мордехай Милгром
За последние годы было сделано немало попыток подтвердить теорию MOND, и, несмотря на ряд аргументов против, ученые, склоняясь к гипотезе темной материи, все же не сбрасывают ее со счетов.
В своей недавней работе астрофизик Чхэ Гюхёниз Университета Седжонв Сеуле нашел «убедительное» доказательство этой гипотезы на звездах, испытывающих крайне малое ускорение, при котором и должна, как предполагается, работать теория MOND.
Используя данные космической обсерватории Gaia, он оценил собственное движение 26 тыс. звезд в составе так называемых широких двойных систем — гравитационно связанных пар звезд, разнесенных друг от друга на тысячи астрономических единиц (астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца). Целью корейского астронома было построить зависимость между ускорением, сообщаемым каждой звезде его соседкой, и расстоянием между ними.
“Анализ кинематических данных широких двойных показал однозначный и чрезвычайно сильный признак нарушения гравитации Ньютона и Эйнштейна при ускорениях менее 10−9 м/с2, — пишет ученый. — Что оказалось еще удивительным, это то, что величина гравитационной аномалии согласуется с тем, что предсказывает AQUAL (один из способов представления теории MOND)”.
Иначе говоря, если ускорение звезды в двойной системе составляет менее 0,1 нанометра на секунду в квадрате, то это ускорение оказывается на 30-40% выше, чем предсказывают законы Ньютона и Эйнштейна. При этом стандартное отклонение в анализе достигает десяти сигма, что означает уверенное наличие аномалии, которая не наблюдается для ускорений более 10 нанометров на секунду в квадрате.
Сам Милгром, предложивший 40 лет назад модифицированную теории гравитации, высоко оценил результат корейского астронома, который теперь планирует проверить наличие аномалии для звезд, разнесенных друг от друга более, чем на 5 тыс. астрономических единиц. По мнению Милгрома, если аномалия подтвердится в качестве нарушения ньютоновской динамики и будет соответствовать предсказаниям MOND, это будет иметь серьезные последствия для астрофизики, космологии и фундаментальной физики в целом.
Как рассказал RTVI сам Милгром, эта и другие работы обсуждались недавно на конференции в Сент-Э́ндрюсском университете (Шотландия), посвященной 40-летию теории MOND, где присутствовал и ее автор.
«Этот анализ достаточно сложный и, чтобы делать выводы, должны быть сделаны различные коррекции данных. Мое глубокое убеждение, что Чхэ провел весьма тщательный анализ, и был в курсе всех возможных ошибок. Но знать о них — не означает обязательно их избежать, но, надеюсь, ему это удалось, — пояснил Милгром в комментарии для RTVI. — Хочу добавить, что скоро будет опубликована другая независимая работа, использующая другие процедуры, но те же начальные данные, и приходящая к аналогичным выводам.. Была и другая работа, в которой эффект не обнаружен, но, как можно видеть в их абстракте, их выводы слабые и неубедительные, и я думаю, что эту работу нельзя сравнить с работами Чхэ и Эрнандеса. На конференции обсуждалась и четвертая работа, еще не опубликованная, в которой не увидели эффекта MOND.
Наконец, я хотел бы указать, что эти отклонения от ньютоновской динамики, как утверждают Чхэ и Эрнандес, предсказаны определенным классом теорий MOND, однако есть и другие формулировки MOND, которые не предсказывают такого эффекта. Как бы то ни было, если результаты Чхэ подтвердятся, это будет великим триумфом MOND, поскольку найденная им аномалия предсказана этим классом теорий MOND».