Ученые подтвердили альтернативную теорию гравитации: почему это меняет физику

Астрофизики наблюдали загадочное поведение звездных скоплений, которое, кажется, бросает вызов нашему нынешнему пониманию гравитации в космических масштабах. Любопытно, что наблюдения согласуются с альтернативной теорией гравитации, которая отрицает необходимость существования темной материи. Однако это вызывает споры среди специалистов. 

Как работает Вселенная?

Классическая теория тяготения Ньютона — закон, описывающий гравитационное взаимодействие в рамках классической механики. В ньютоновской теории каждое массивное тело порождает силовое поле притяжения к нему. Речь идет о гравитационном поле.

Гравитационное взаимодействие в теории Ньютона распространяется мгновенно, так как сила тяготения зависит только от взаимного расположения притягивающихся тел в данный момент времени.

Также за происходящее в нашей Вселенную отвечает и темная материя. Она не участвует в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступна для прямого наблюдения. Темная материя составляет порядка 25% массы-энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии. Не всех ученых устраивает то, что ее невозможно наблюдать. Некоторые физики отрицают темную материю и принятое устройство Вселенной. Они говорят об отсутствии гравитации и искажении пространства-времени и предлагают альтернативные варианты. Например, теорию MOND (англ. Modified Newtonian Dynamics, модифицированная ньютоновская динамика).

Какая есть альтернатива?

Согласно теории MOND — или альтернативной теории гравитации — закон тяготения Ньютона можно изменить, чтобы объяснить вращение галактик без привлечения темной материи.

По сути, теория MOND — это альтернатива для Общей теории относительности. Ее придумал Эйнштейн, чтобы объяснить, как работает гравитация и почему вообще существует темная материя, которая удерживает галактики вместе. 

MOND направлена на то, чтобы объяснить, почему разные объекты во Вселенной имеют разную массу, не используя концепцию темной материи. Ее предложил в начале 1980-х годов израильский астрофизик Мордехай Милгром. Теория модифицирует закон тяготения, ссылаясь на более сильное взаимодействие в некоторых областях пространства, объясняя таким образом искривления пространства.

Где ученые искали ответ?

Авторы нового исследования изучали рассеянные звездные скопления. Они образуются, когда за короткое время в огромном газовом облаке рождаются тысячи звезд. По мере «воспламенения», они сдувают остатки газового облака, при этом кластер значительно расширяется. Это создает «рыхлое» образование — в нем содержится от нескольких десятков до нескольких тысяч звезд. Слабые гравитационные силы, действующие между ними, удерживают члены скопления вместе.

В большинстве случаев рассеянные звездные скопления существуют всего несколько сотен миллионов лет, прежде чем растворятся. При этом, они регулярно теряют звезды, которые скапливаются в два так называемых «приливных хвоста». Один из них тянется за скоплением, когда оно путешествует в пространстве. Другой, напротив, берет на себя «инициативу», и работает как «острие».

В чем нестыковка?

Согласно законам тяготения Ньютона, вопрос о том, в каком из хвостов окажется потерянная звезда, зависит от случая. Таким образом, оба должны содержать примерно одинаковое количество звезд. Однако ученые впервые в истории доказали, что это не так. Они изучили скопления, и наблюдали, как «передний» хвост всегда содержит больше звезд, чем «задний».

До сих пор было почти невозможно определить среди миллионов близких к скоплению звезд те, которые принадлежат его хвостам. Для этого нужно обращать внимание на скорость, направление движения и возраст каждого из этих объектов. Чтобы решить проблему, авторы нового исследования разработали метод, который позволил им впервые точно сосчитать звезды в хвостах.

На данный момент рядом с Землей исследовано пять рассеянных скоплений, четыре из них максимально близко. Когда ученые проанализировали все данные, то столкнулись с противоречием текущей теории.

Стыковка с другой теорией

Данные новых наблюдений, напротив, гораздо лучше согласуются с теорией MOND. Согласно ней, звезды могут покинуть скопление «через две разные двери», объясняют ученые. «Одна ведет к “заднему” приливному хвосту, другой — к “переднему”. Однако первый намного уже второго, поэтому маловероятно, что звезда покинет скопление через нее. Теория гравитации Ньютона, с другой стороны, предсказывает, что обе “двери” должны быть одинаковой ширины», — пишут физики.

Физики рассчитали звездное распределение, ожидаемое согласно теории MOND. Оказалось, что результаты на удивление хорошо согласуются с наблюдениями. Однако для этого физикам пришлось использовать относительно простые вычислительные методы. Сейчас им не хватает математических инструментов для более детального анализа модифицированной ньютоновской динамики.

Что в итоге?

Тем не менее, симуляции также совпали с наблюдениями в другом отношении. Они предсказали, как долго обычно должны существовать рассеянные звездные скопления. И этот промежуток времени в разы короче, чем можно ожидать по законам Ньютона. Это объясняет давно известную тайну. А именно то, почему звездные скопления в ближайших галактиках исчезают быстрее, чем должны.

Однако теория MOND не бесспорна среди специалистов. Поскольку законы тяготения Ньютона «не работают» при определенных обстоятельствах, их надо изменить. Все это имеет далеко идущие последствия и для других областей физики.

С другой стороны, это решает многие проблемы, с которыми сегодня сталкивается космология. Сейчас авторы исследования изучают новые математические методы для еще более точного моделирования. Затем их можно использовать для поиска дополнительных доказательств того, верна ли теория MOND или нет.

Читать далее:

Археологи официально подтвердили сказания из Библии

Выяснилось, что происходит с клетками тела, когда умирает сердце

Сигнал Starlink взломали, чтобы использовать его в качестве альтернативы GPS