Хоронить темную материю пока рано

Несмотря на выдающиеся успехи современной науки, удивительным фактом является то, что она описывает только 5% энергетического состава Вселенной. Остальные 25% приходятся на таинственную темную материю и 70% – на еще более таинственную темную энергию. Считается, что темная материя состоит из неизвестных слабо взаимодействующих частиц. Но некоторые закономерности в структурах галактик трудно объяснимы в рамках этой парадигмы и существует конкурирующая теория, теория модифицированной Ньютоновской динамики (MOND), которая ставит своей задачей объяснить эти закономерности без привлечения темной материи. Последние наблюдения убедительно подтверждают существование закономерности, которую давно предсказывал MOND и, казалось бы, триумфально подтверждают эту теорию. Но хоронить темную материю пока рано.

Наиболее популярным кандидатом на роль частицы темной материи является так называемый вимп – слабо взаимодействующая массивная частица, существование которой предсказывается в теориях, опирающихся на идею суперсимметрии. Но эксперименты на Большом адронном коллайдере пока не видят никакого признака суперсимметрии.

Первые доказательства существования темной материи получила астроном Вера Рубин на основе своих наблюдений в конце 40-х – начале 50-х гг. XX века (еще раньше гипотезу о присутствии темной материи в галактиках высказал Фриц Цвикки). Биография Веры Рубин не менее восхитительна, чем изучение ею темной материи.

Во времена ее молодости женщины, занимающиеся естественными науками, мягко говоря, не приветствовались и подвергались дискриминации. Веру не взяли в Принстон, потому что в то время в аспирантуру отделения астрономии Принстонского университета девушек не принимали. В Корнеле, куда она поехала учиться, ее учителями стали Ричард Фейнман и Ханс Бете. Позже она училась у Георгия Гамова в Джорджтаунском университете. Вера Рубин не только смогла получить хорошее образование, но и достигла выдающихся результатов в научной работе. При этом она вышла замуж в 19 лет, родила и воспитала (вместе с мужем) четверых детей! Все ее дети стали учеными.

Сейчас ей 88 лет, и она пока не получила вполне заслуженную Нобелевскою премию.

Недавно была открыта еще одна захватывающая тайна темной материи, которая не вписывается в парадигму вимпов. Американские ученые Стейси МакГаук, Федерико Лелли и Джим Шомберт изучили 153 галактики. Изучаемые объекты были очень разными по форме, по массе и по содержанию газа. В некоторых галактиках доминировала темная материя, тогда как в других темная и обычная материя присутствовали в сравнимых количествах. Тем не менее во всех галактиках они обнаружили замечательную и таинственную закономерность.

Для 2693 разных значений радиуса они измерили центростремительное ускорение g = V 2/r по наблюдаемой поперечной скорости V и обнаружили, что оно полностью определяется ускорением gB, которое должно быть в этой точке согласно Ньютоновской теории гравитации при отсутствии темной материи. В частности они нашли, что

где g0 = 1.2*10-10 мс-2 есть некая универсальная константа. Чтобы найти gB, надо знать распределение обычной материи в пространстве, и это распределение извлекалось из наблюдаемого инфракрасного излучения согласно данным космического телескопа Спитцер.

То, что полное ускорение g полностью определяется распределением обычной (барионной) материи удивительно, так как означает, что и распределение темной материи, которая тоже дает вклад в полное ускорение, определяется распределением обычной (барионной) материи.

В рамках парадигмы вимпов это трудно объяснить, так как вимпы очень слабо взаимодействуют с друг другом и с обычной материей, и не ясно, как обычная материя в галактиках может повлиять на структуру гало этой галактики из темной материи, которое простирается значительно дальше обычной материи.

Но эта закономерность в точности та, которая давно предсказывалась в рамках теории модифицированной Ньютоновской динамики (МОНД), предложенной Мордехаем Милгромом и уже наблюдалась, правда с меньшей точностью и менее убедительно, и другими исследователями МОНД.

Теория модифицированной Ньютоновской динамики утверждает, что на самом деле никакой темной материи не существует, просто на больших расстояниях (для маленьких ускорений) Ньютоновская механика требует модификации. А именно, реальное ускорение g пробного тела в гравитационном поле галактики полностью определяется Ньютоновским ускорением gN, которое создается в данной точке видимой (барионной) массой галактики: gN: g = gN ν (gN /g0), где g0 есть некоторое критическое ускорение, упомянутое выше. При больших x = gN /g0, интерполирующая функция MOND, ν(x), приближается к единице и, следовательно, восстанавливается Ньютоновская механика g = gN. Но при маленьких x, MOND утверждает, что ν(x) приближается к 1/√̄x и реальное ускорение сильно отличается от Ньютоновской:

Именно такое поведение при маленьких ускорениях и наблюдают американские ученные, что дало повод усомниться в существовании темной материи.

Результат американских ученных вряд ли можно назвать действительно неожиданным, так как один и тот же масштаб ускорения g0 регулярно возникал при обработке разнообразных данных о динамической структуре галактик. Поэтому ничего удивительного, что новое исследование подтвердило в общем-то уже известную старую закономерность.

А с другой стороны, пока рано считать все это триумфом MOND.

Проявления темной материи надежно установлены на всех масштабах, а не только в масштабах галактики. И основные черты этих наблюдений хорошо согласуются с тем, что темная материя состоит из каких-то неизвестных частиц, не обязательно вимпов, тогда как MOND имеет большие трудности на больших масштабах.

Указанная выше закономерность является вызовом для теории темной материи, но не отрицает ее существование, так как некоторые модели темной материи, например, диссипативная зеркальная темная материя, тоже позволяют объяснить наблюдение закономерности на масштабах галактики.

К.ф.-м.н. З.К. Силагадзе, старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск)