Тёмная материя под вопросом: может быть, гравитация ведёт себя иначе?

Согласно новому исследованию, тёмная материя — самая загадочная субстанция во Вселенной — может не существовать вовсе. Однако отказ от тёмной материи в наших космологических моделях возможен лишь в том случае, если гравитация на огромных масштабах ведёт себя не так, как мы думаем, утверждает один из учёных.

Тёмная материя уже давно является головной болью для физиков: несмотря на то что её в пять раз больше, чем обычного вещества, она остаётся абсолютно невидимой. Это связано с тем, что она не взаимодействует со светом, точнее — с электромагнитным излучением. Поскольку частицы, из которых состоят атомы звёзд, планет, живых существ и всего, что мы видим вокруг, взаимодействуют со светом, учёные десятилетиями искали частицы, составляющие тёмную материю. Однако такая добавка к физике элементарных частиц, до сих пор ускользающая от всех попыток обнаружения, может оказаться ненужной, если мы ошибаемся в поведении гравитации на галактических масштабах. По крайней мере, в этом убеждён Наман Кумар из Индийского технологического института.

«Загадка тёмной материи — невидимой, повсеместной и ключевой в стандартной космологии — десятилетиями висела над физикой, — пишет Кумар для Phys.org. — В новом исследовании я изучаю иную возможность: вместо того чтобы постулировать новые частицы, я предполагаю, что сама гравитация может вести себя иначе на самых больших масштабах».

Единственная причина, по которой учёные предположили существование тёмной материи, заключается в том, что эта странная субстанция взаимодействует с гравитацией. Первый намёк на её наличие появился, когда астрономы обнаружили, что галактики вращаются так быстро, что если бы единственной силой, удерживающей их вместе, была гравитация видимой материи, они бы давно разлетелись.

Другое доказательство связано с гравитационным линзированием — явлением, при котором обычно прямой путь света искривляется из-за «вмятины» в ткани пространства, созданной массивными объектами. Было обнаружено, что это отклонение слишком велико, чтобы его можно было объяснить только видимой материей в линзирующих галактиках. Поэтому физики предположили, что галактики окружены обширными гало тёмной материи, простирающимися далеко за пределы их звёздных дисков.

Тот факт, что все свидетельства существования тёмной материи основаны лишь на её гравитационном влиянии на пространство и обычную (барионную) материю, объясняет, почему модифицированная теория гравитации может устранить необходимость в тёмной материи.

Не всё так квадратично

Чтобы исследовать эту идею, Кумар рассмотрел гравитацию через призму квантовой теории поля на очень малых масштабах, соответствующих длине волны инфракрасного света — так называемая «инфракрасная бегущая схема» (infrared running scheme). Этот подход не предполагает, что ньютоновская гравитационная постоянная, «Большая G», остаётся неизменной на разных масштабах длины — она может «меняться» или «бежать».

«Результат — убедительное теоретическое обоснование сценария, в котором эффективная сила гравитации subtly меняется на галактических расстояниях», — пишет Кумар.

Гравитация — это пример закона обратных квадратов (1/r²), означающего, что её сила убывает пропорционально квадрату расстояния от источника: если расстояние удваивается, гравитация становится в четыре раза слабее. Если утроить расстояние, влияние гравитации ослабнет в девять раз.

Рассматривая свою инфракрасную схему, Кумар обнаружил гравитационный потенциал, отклоняющийся от обычного закона обратных квадратов, что приводит к силе дальнего действия вида 1/r. Это может объяснить характер вращения галактик, который сейчас приписывается гало тёмной материи.

«Эти результаты показывают, что инфракрасная бегущая схема может объяснить вращение галактик без привлечения доминирующего компонента холодной тёмной материи», — пояснил Кумар.

Как можно ожидать, поскольку тёмная материя считается ответственной за 85% материи во Вселенной, её исключение из наших космологических моделей имеет серьёзные последствия для понимания того, как Вселенная эволюционировала и продолжает эволюционировать. Однако модель Кумара может хорошо соответствовать текущим ожиданиям и наблюдениям.

«В ранней Вселенной — во время образования реликтового излучения и формирования крупномасштабной структуры — любые изменения в гравитации должны быть достаточно малы, чтобы не противоречить точным космологическим измерениям, — пишет Кумар. — В рамках инфракрасной бегущей схемы поправки растут медленно с увеличением масштаба и времени, сохраняя согласие с ограничениями ранней Вселенной и становясь значимыми только на поздних этапах и больших масштабах».

Следующим шагом для теории инфракрасной бегущей гравитации Кумара станет сравнение её с данными по гравитационному линзированию и скоплениям галактик, формирование которых в настоящее время объясняется в рамках парадигмы тёмной материи.

«Моя работа открывает путь к пониманию феноменов тёмной материи не как недостающих частиц, а как тонкой особенности самой гравитации — глубокого следствия масштабной зависимости в квантовой теории поля гравитации, — заключил Кумар. — Хотя этот подход пока не может полностью заменить тёмную материю в стандартной космологической модели — особенно в объяснении детального формирования структур и данных линзирования — он подчёркивает возможную скрытую сложность гравитации и призывает пересмотреть природу эффектов, приписываемых тёмной материи».

Работа Кумара вписывается в долгую историю альтернативных теорий гравитации, таких как Модифицированная ньютоновская динамика (MOND), которые также пытаются объяснить аномалии в движении галактик без привлечения тёмной материи. Однако его подход уникален тем, что исходит из принципов квантовой теории поля, потенциально предлагая более фундаментальное обоснование.

Критики, однако, отмечают, что тёмная материя успешно объясняет широкий спектр явлений — от крупномасштабной структуры Вселенной до особенностей реликтового излучения. Поэтому любая альтернативная теория должна будет пройти строгие проверки на всех космологических масштабах и эпохах, а не только на уровне галактик.

Следующими важными тестами для теории Кумара станут точные измерения слабого гравитационного линзирования в масштабах сверхскоплений, а также анализ данных с новых обсерваторий, таких как Euclid и Vera C. Rubin Observatory, которые составят беспрецедентно детальные карты распределения материи во Вселенной. Если «инфракрасная бегущая гравитация» сможет предсказать эти наблюдения без дополнительных гипотез, это может стать началом настоящей революции в физике и космологии.

Таким образом, хотя тёмная материя остаётся краеугольным камнем современной космологии, исследования в духе работы Кумара важны как напоминание о том, что наука должна оставаться открытой к радикально новым идеям, особенно когда десятилетия интенсивных поисков не приносят ожидаемых открытий.