Астрофизик Кю-Хюн Чае (2023) из Университета Седжонг в Сеуле провёл исследование, анализируя 26 500 "широких" двойных звёздных систем в радиусе 650 световых лет от Земли. Его вычисления показали, что ускорение, при котором пары двойных звёзд реально вращаются вокруг общего центра масс, не соответствует прогнозам, основанным на уравнениях Ньютона и Эйнштейна, если оно составляет менее 1 нм/с². Если ускорение ещё меньше - менее 0,1 нм/с² - то в широких двойных звёздных системах наблюдается ускорение, превышающее "классическое" значение на 30-40%. Аналогичные аномалии видны и при изучении кривой вращения. Однако в случае относительно небольших двойных звёздных систем тёмная материя не является объяснением (на таком масштабе тёмная материя не может играть роль), что может подвергнуть сомнению необходимость в существовании тёмной материи для объяснения ускорения на галактическом уровне. Таким образом мы можем стоять на пороге изменения нашего представления о Вселенной.
Глава 11-20-2
Теория MOND
В 1983 году Мордехай Милгром, физик из Вейцмановского Института в Израиле, опубликовал три статьи в «The Astrophysical Journal» с предложением внести изменения в закон всемирного тяготения Ньютона. На самом деле Милгром предоставил несколько интерпретаций его предложению, одна из них является модификацией второго закона Ньютона. Однако, это предлагаемое толкование противоречит закону сохранения импульса и требует некоторых нетрадиционных физических допущений. Вторая интерпретация — изменение закона гравитации, требует, чтобы ускорение за счёт силы тяжести зависело не просто от массы, а от массы умноженной на некоторую функцию, аргумент которой есть ускорение, деленное на некую константу примерно равную м/с². Эта функция стремится к единице при больших значениях гравитационного ускорения и отличается для малых аргументов. Центростремительное ускорение звёзд и газовых облаков на окраине спиральных галактик, как правило, будет ниже значения это функции.
Точная форма функции в статьях не указана, указано только её поведение, когда аргумент является малым или большим. Как Милгром доказал в своих статьях, форма не меняет большинство следствий из теории, таких как выравнивание кривых вращения галактик.
В повседневном мире гравитационное ускорение гораздо больше для всех физических эффектов, поэтому коэффициент практически равен единице и, следовательно, можно с большой степенью точности предполагать справедливость закона всемирного тяготения Ньютона (или второго закона Ньютона). Изменения в законе всемирного тяготения Ньютона являются незначительными, и Ньютон не мог их видеть.
Согласно теории MOND скорость звёзд на круговых орбитах далеко от центра является постоянной и не зависит от расстояния, то есть кривая вращения является пологой.
Чтобы объяснить значение этой константы, Милгром сказал: «…Это приблизительно то ускорение, которое нужно объекту, чтобы разогнаться от состояния покоя до скорости света за время существования Вселенной. Также оно близко к недавно обнаруженному ускорению Вселенной».
Тем не менее, воздействие от предполагаемого значения на физические процессы на Земле остаётся в силе. Если бы было больше, последствия этого были бы видны на Земле, и, поскольку это не так, новая теория была бы противоречивой.
Глава 11-20-3
Мордехай (Моти) Милгром
Мордехай (Моти) Милгром (англ. Mordehai Milgrom, род. 1946) — израильский физик, профессор кафедры физики элементарных частиц и астрофизики в Институте Вейцмана (Реховот, Израиль). Известен своей теорией «модифицированной ньютоновской динамики» (англ. Modified Newtonian dynamics, MOND), которая позволяет объяснить аномальное движение галактических объектов, не прибегая к гипотезе о тёмной материи.
Родился в городе Яссы, Румыния, ещё ребёнком эмигрировал с семьёй в Израиль. В 1966 году получил степень бакалавра в Еврейском университете. Позже учился в Институте Вейцмана, защитил там докторскую степень в 1972 году.
Преподаёт в Институте Вейцмана по настоящее время. В период 1980—1981 и 1985—1986 годов работал в Институте перспективных исследований в Принстоне. Женат, имеет трёх дочерей.
В 1981 году. Милгром высказал идею о том, что второй закон Ньютона должен быть модифицирован для малых ускорений. В 1983 году, развивая эту идею, опубликовал теорию «модифицированной ньютоновской динамики».
Глава 11-20-4
Соответствие с наблюдениями
В соответствии с теорией модифицированной ньютоновской динамики каждый физический процесс, который включает малые ускорения, будет иметь результат, отличающийся от простого закона Ньютона. Таким образом, астрономы должны обнаружить все эти процессы, и убедиться, что MOND согласуется с наблюдениями. Впрочем, существует сложность, которая сильно влияет на совместимость MOND с наблюдениями.
В изолированной системе, например, один спутник, вращающийся вокруг планеты, эффект MOND приводит к росту скорости за пределы данного диапазона (на самом деле, ниже заданного ускорения, но для круговой орбиты это не имеет значения), что зависит от массы как планеты, так и спутника. Однако, если та же система будет вращаться вокруг звезды, планета и спутник будут ускоряться в гравитационном поле звезды. По этой причине типичное ускорение любого физического процесса — не единственный параметр, который должны рассматривать астрономы. Настолько же важной является среда, в которой происходит процесс, то есть все внешние силы, которыми, как правило, пренебрегают.
Это ограничивает применение MOND, потому что все эксперименты, проведённые на Земле или в её окрестностях, подчинены гравитационному полю Солнца, и это поле настолько сильно, что все объекты в Солнечной системе подвергаются ускорениям большим, чем коэффициент теории MOND. Это объясняет, почему выравнивание кривых вращения галактик, или MOND эффект, не был обнаружен до начала 1980-х годов, когда астрономы впервые собрали эмпирические данные о вращении галактик.
Ожидается, что только галактики и другие большие системы продемонстрируют динамику, которая позволит астрономам убедиться, что MOND согласуется с наблюдениями. С момента появления теории Милгрома в 1983 году наиболее точные данные были получены из наблюдений далёких галактик и соседей Млечного Пути. В пределах известных данных для галактик MOND остаётся в силе. Что касается Млечного Пути, то он усеян облаками газа и межзвёздной пыли, и из-за этого до сих пор нет возможности определить надёжно кривую вращения галактики. Условия для проведения эксперимента, который мог бы подтвердить или опровергнуть MOND, существуют лишь за пределами Солнечной системы.
В поисках наблюдений для проверки своей теории Милгром заметил, что особый интерес представляет редкий класс объектов — галактики с низкой поверхностной яркостью (LSB, Low surface brightness galaxy). В них почти все звёзды находятся в пределах пологой части кривой вращения. Таким образом, Милгром смог сделать прогноз, что LSB должны иметь кривую вращения, которая является практически пологой, и соотношение между плоской скоростью и массой LSB то же, что и у более ярких галактик.
Действительно, большинство наблюдаемых LSB соответствуют кривой вращения, предсказанной MOND.
Кроме LSB, ещё одной проверкой MOND является предсказание скорости галактик, вращающихся вокруг центра скоплений галактик (например, наша галактика является частью сверхскопления Девы). MOND предсказывает скорость вращения этих галактик вокруг центра и распределение температур, которые противоречат наблюдениям.
Компьютерное моделирование показало, что MOND, как правило, довольно точна в прогнозировании отдельных кривых вращения галактик для всех видов галактик: спиральных, эллиптических, карликовых и т. д. Однако MOND и подобные MOND теории не так хороши в масштабах скоплений галактик или космологических структур. Обнаружение каких-либо частицы тёмной материи, например, вимпов, мог бы опровергнуть MOND.
Ли Смолин (и его коллеги) безуспешно пытался получить теоретическую основу для MOND из квантовой теории гравитации. Его вывод — «MOND представляет собой дразнящую загадку, но она не из тех, которые могут быть решены сейчас».
В 2011 году профессор астрономии Университета Мэриленда Стейси Макго проверил вращение богатых газом галактик, которые имеют относительно меньшее число звёзд, так что большая часть их массы сосредоточена в межзвёздном газе. Это позволило более точно определить массу галактик, поскольку вещество в форме газа легче увидеть и измерить, чем вещество в виде звёзд или планет. Макго исследовал выборку из 47 галактик и сравнил массу и скорости вращения каждой с величинами, прогнозируемыми MOND. Все 47 галактик соответствовали или оказались очень близки к прогнозам MOND; классическая модель тёмной материи выполнялась хуже. С другой стороны, во время исследований 2011 года по наблюдению в скоплении галактик гравитационно-индуцированного красного смещения были обнаружены результаты, которые в точности соответствовали общей теории относительности, но противоречили MOND.
Самыми сложными для объяснения в рамках МОНД считаются результаты о распределении масс газа, полученные по рентгеновскому излучению, и гравитирующих масс, полученные по гравитационному линзированию, в сталкивающихся скоплениях галактик, например, в скоплении Пуля. Если МОНД верна, и тёмной материи не существует, то распределения масс должны совпадать, что сильно противоречит наблюдениям. Хотя сторонники МОНД утверждают, что могут объяснить эти расхождения, большинство астрономов считают эти данные фальсифицирующим МОНД экспериментом.