Существует ли тёмная материя?

Об авторах:

Сабина Хоссенфельдер является физиком-теоретиком Франкфуртского института передовых исследований, исследующего физику за пределами Стандартной модели. Также она ведёт блог , посвященный вопросам физики Backreaction, и является автором книги «Затерянные в математике: как красота вводит физику в заблуждени» (Basic Books, 2018).

Стейси С. Макго-астрофизик из Западного резервного университета Кейза. Его исследования сосредоточены на изучении галактик низкой поверхностной яркостью, которые предполагают глубокий анализ теорий модифицированной гравитации и тёмной материи.

• Чтобы объяснить, как звезды вращаются в галактиках и как галактики вращаются в скоплениях, учёные давно допускали существование некоторых невидимых частиц «тёмной материи», которые должны сопровождать обычную материю во Вселенной. Альтернативная же идея, заключающаяся в том, что нет никакой дополнительной материи, и нам нужно обновить уравнения гравитации, не получила широкого распространения.


• Тем не менее в ходе многочисленных экспериментов не было найдено доказательств, подтверждающих существование тёмной материи. Всё это оставляет возможность более внимательного рассмотрения теории модифицированной гравитации.


• В последнее время некоторые астрофизические данные, такие как недавние наблюдения гравитации в галактиках, свидетельствуют в пользу теории модифицированной гравитации вместо тёмной материи. Пришло время физикам забыть о своих предрассудках и пересмотреть своё отношение к этой непопулярной теории.

Астрофизики накопили множество наблюдений, которые трудно объяснить при помощи гипотез о тёмной материи. Настало время подумать над тем, что гравитация представляет собой нечто более сложное, чем то чему учил нас Эйнштейн.

Звёзды всё ещё хранят свои секреты. Да, мы знаем почему они светят и почему они мерцают, но нам по-прежнему неизвестно почему они движутся определенным образом. Эта проблема, которую мы не можем решить на протяжении большей части века. В 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки заметил, что некоторые скопления, состоящие из около тысячи галактик, летают удивительно быстро вокруг их общего центра масс. Даже по смелым оценкам масс отдельных галактик, их суммы было бы недостаточно для того, чтобы поддерживать это движение. Цвикки разрешил это противоречие, предположив присутствуе нового типа материи-«тёмной материи».

В 1970-х годах американский астроном Вера Рубин, умершая в 2016 году, заметила тоже самое в отдельных галактиках. Скорости движения звезд, удаленных от центра галактики, оставались примерно такими же, как и у тех, что располагались ближе к нему, в то время как астрономы ожидали, что они замедлятся из-за уменьшения гравитационной силы в удаленных частях галактики. Опять таки, одной только видимой массы было недостаточно для объяснения наблюдений. Рубин пришла к выводу, что в галактиках тоже должна присутствовать тёмная материя.

С тех пор накопилось еще больше доказательств того, что мы что-то упускаем. Незначительные колебания температуры в космическом фоновом излучении, которые астрономы видят проходящими через космическое пространство, а также гравитационный изгиб света вокруг отдельных галактик и их скоплений вместе с формированием крупномасштабной космической сети, которая пронизывает космос, подтверждают, что обычная материя сама по себе не может объяснить того, что мы наблюдаем.

На протяжении многих десятилетий наиболее популярной была гипотеза о том, что темная материя состоит из новых, до сих пор не обнаруженных частиц, которые не взаимодействуют со светом. Альтернативное объяснение, заключающееся  в том, что у нас правильные частицы, но неправильные законы гравитации, не вызвало большого интереса.

Тридцать лет назад такая точка зрения была обоснована. Идея частицы тёмной материи получила распространение, потому что тогда у физиков были другие причины верить в существование новых частиц. Примерно в 1950-х и 1960-х годах физики поняли, что протоны, нейтроны и электроны не являются единственными частицами, составляющими атом. В течение следующих десятилетий ускорители частиц начали выявлять всё больше новых частиц. Это привело к созданию Стандартной модели и предоставило теоретикам еще больше пищи для размышлений. Например, попытки объединить фундаментальные силы природы в единую силу требовали создания теорий касательно набора новых частиц, а концепция суперсимметрии, разработанная в 1970-х годах, предсказала зеркальную частицу для каждой известной частицы во Вселенной. Некоторые из этих частиц вполне могли бы быть тёмной материй. Следующим претендентом на роль частиц, составляющих тёмную материю был «аксион». Это частица была открыта для для объяснения минимального параметра в Стандартной модели. Однако после трех десятилетий безуспешных попыток обнаружить любую из этих частиц, ученым все же пришлось обратить внимание на существование альтернативных гипотез.

Между тем идея о том, что тёмная материя состоит из частиц, подверглась давлению с совершенно другой стороны. Новые астрофизические данные, собранные и проанализированные одним из авторов данной статьи (Стейси Макго), а также другими исследователями, противоречат расчётам о частице тёмной материи. Также становится все более очевидным то, что многочисленные попытки не смогли решить старых проблемы, связанных с понятием тёмной материи.

Усовершенствование уравнений гравитации всё ещё остаётся возможным путём, ведущим к решению проблемы. Вместо того, чтобы добавлять частицы во Вселенную, с целью объяснить наличие дополнительной гравитации, которая, возможно, существует в галактиках и их скоплениях, мы можем остановиться на уже известных частицах, но при этом увеличить силу, с которой они воздействуют друг на друга. Не стоит забывать и о непопулярных, но не тем не менее никем не опровергнутых теориях о так назыаемой модифицированной гравитации. Сейчас у нас появилась хорошая возмозможность задуматься над тем, что мы искали не то что нужно и не там где нужно. Настало время более внимательного рассмотрения теории модифицированной гравитации.