Нови измервания на въртенето на галактиките насочват към модифицираната гравитация като обяснение за тъмната материя

Ваня Милева Последна промяна на 03 януари 2023 в 00:01 14838 0

Галактиката джудже Стрелец, малък спътник на Млечния път, който оставя след себе си поток от звезди като ефект от гравитационното привличане на нашата Галактика, се вижда като удължена част под галактическия център и сочи в посока надолу в цялото небе карта на плътността на звездите, наблюдавана от мисията Gaia на ESA между юли 2014 г. и май 2016 г. Кредит: ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO

Най-нови от Човекът

Следи от праисторическа човешка дейност са открити в лавова тръба

00:00 ч.

Човекът

Следи от праисторическа човешка дейност са открити в лавова тръба

Топ астрономи се събират, за да се изправят срещу възможността, че са грешали за Вселената

18/04/2024

Космос

Топ астрономи се събират, за да се изправят срещу възможността, че са грешали за Вселената

Въпреки че тъмната материя е основна част от стандартния космологичен модел, тя също има проблеми. Съществуват още много загадки, свързани с тази материя, като не на последно място е фактът, че учените не са открили преки доказателства за наличието на такива частици. Въпреки многобройните търсения, все още не са открити частици тъмна материя. Затова някои астрономи предпочитат алтернативата, като например модифицираната нютонова динамика (MoND - Modified Newtonian Dynamics) или модифицирания гравитационен модел. И едно ново изследване на въртенето на галактиките изглежда ги подкрепя.

Идеята за MoND е вдъхновена от въртенето на галактиките. По-голямата част от видимата материя в една галактика е съсредоточена в центъра, така че може да се очаква, че звездите, които са по-близо до центъра, ще имат по-високи орбитални скорости от по-отдалечените, подобно на планетите от нашата Слънчева система. На практика се наблюдава, че всички звезди в една галактика се въртят с приблизително еднаква скорост. Кривата на въртене е по същество плоска, а не падаща. Решението с тъмната материя е, че галактиките са заобиколени от ореол от невидима материя, но през 1983 г. Мордехай Милгром заявява, че нашият гравитационен модел навярно е погрешен.

Крива на въртене на типичната спирална галактика М 33 (жълти и сини точки с барове за грешка) и предсказаната от разпределението на видимата материя (бяла линия). Несъответствието между двете криви се обяснява с добавянето на ореол от тъмна материя около галактиката. Кредит: Public domain / Wikipedia

Модифицираната нютонова динамика

Нека обясним това с опростен модел. Нека има сферично симетрично хомогенно тяло с маса M (груб модел на галактическото ядро), около което тяло (например звезда) с маса m се движи в кръг. Според втория закон на Нютон и закона за всемирното привличане имаме:

, откъдето следва, че извън масивното ядро скоростта на тяло в кръгова орбита намалява с разстоянието в съответствие с формулата:

Наблюденията (виж фигурата по-горе) показват друга закономерност: започвайки от определено характерно разстояние r₀, което е индивидуално за всяка галактика, скоростите на обектите стават постоянни, т.е. практически престават да зависят от r. Скоростите на обекти, достатъчно далеч от центъра, са много по-високи от теоретично прогнозираните.

Във всички разглеждани галактики отклоненията от предсказанията на Нютоновата механика започват да се забелязват при едно и също ускорение a₀ ∼ 10⁻¹⁰ м/сек², т.е. за обекти движейки се с ускорение по-голямо от a₀, Нютоновата механика работи доста добре, а при движение с малко ускорение (по-малко от a₀) се наблюдават отклонения.

Във версията на Милгром на MоND се предлага да се модифицира вторият закон на Нютон чрез въвеждане на допълнителен фактор µ(z) в него, в зависимост от z, отношението на ускорението на тялото a към константата a₀:

Приема се, че факторът µ(z), наречен интерполационна функция или просто µ-функция, има следните асимптотични свойства: µ(z) ≈ 1 за a ≫ a₀ и µ(z) ≈ a/a₀ за a ≪ a₀.

Дефинираната по този начин µ-функция или по-точно множеството от функции с дадена асимптотика, привежда модифицираната теория в съгласие с наблюденията: при големи ускорения a ≫ a₀ се изпълнява обичайната Нютонова механика и в границата на малки ускорения a ≪ a₀, възниква „дълбок MOND-режим“, който се характеризира със следното:

Тоест при малки ускорения скоростите на обектите престават да зависят от радиусите на техните орбити и кривата на въртене достига плато.

Уравнението v=(Gma)^1\4 позволява да се пресметне a₀ от наблюдаемите v и M. Милгром намира стойността a₀=1.2х 10^-10 м/сек².

На междузвездни разстояния гравитационното привличане между звездите е по същество Нютоново. Затова, вместо да променя Общата теория на относителността, Милгром предлага да се промени универсалният закон за гравитацията на Нютон.

Основната предпоставка на MoND е, че законите на Нютон за гравитацията се потвърждават само при относително големи ускорения (в Слънчевата система и на Земята), а при малки ускорения като например на звездите във външните части на галактиките според MoND ускорението зависи нелинейно от масата, която го създава.

Милгром формулира своя нов закон за ефективната гравитационна сила, който е избран така, че да възпроизвежда Нютоновия резултат при високо ускорение, но води до различно ("дълбоко MоND") поведение при ниско ускорение.

Разбира се, самото добавяне на малък член към гравитацията на Нютон означава, че трябва да се променят и уравненията на Айнщайн. Така че MoND е обобщен по различни начини, като например AQUAL, което означава A Quadradic Lagrangian. Както AQUAL, така и стандартният космологичен модел с тъмна материя ΛCDM (Lambda cold dark matter) могат да обяснят наблюдаваните криви на въртене на галактиките, но има някои фини разлики.

^{Измерено е отместването между движението на вътрешните и външните звезди. Кредит: Kyu-Hyun Chae}

Тук се намесва едно неотдавнашно проучване.

Една от разликите между AQUAL и ΛCDM е в скоростта на въртене на звездите с вътрешна орбита спрямо звездите с външна орбита. За ΛCDM и двете би трябвало да се управляват от разпределението на материята, така че кривата би трябвало да е гладка.

AQUAL предвижда малка извивка в кривата, дължаща се на динамиката на теорията. Тя е твърде малка, за да се измери в една галактика, но статистически би трябвало да има малко отместване между вътрешното и външното разпределение на скоростите.

Затова авторът на статията разглежда кривите на скоростта с висока разделителна способност на 152 галактики, наблюдавани в базата данни Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC). Той открива изместване, което е в съгласие с AQUAL. Данните изглежда подкрепят модифицираната гравитация, а не стандартната космология на тъмната материя.

Резултатът е вълнуващ, но не опровергава окончателно тъмната материя. Моделът AQUAL има свои собствени проблеми, но това е победа за тази не особено неодобрявана теория, което накара някои астрономи да възкликнат: "Да живее MoND!".

Справка: Chae, Kyu-Hyun. “Distinguishing Dark Matter, Modified Gravity, and Modified Inertia with the Inner and Outer Parts of Galactic Rotation Curves.” The Astrophysical Journal 941.1 (2022): 55.

Източник: New Measurements of Galaxy Rotation Lean Towards Modified Gravity as an Explanation for Dark Matter, Brian Koberlein