Карлики рушат законы механики

Движение карликовых спутников Галактики противоречит законам механики

В хороводе карликовых галактик вокруг Млечного Пути нашёлся парадокс, необъяснимый с точки зрения механики и теории «тёмного вещества». Астрономы считают его сильным свидетельством в пользу спорной теории МоНД, требующей уточнения второго закона Ньютона.

Ещё в 30-х годах прошлого века работавший в США швейцарский астроном Фриц Цвикки заметил, что в самых крупных известных на тот момент структурах Вселенной — скоплениях галактик — чего-то не хватает. Отдельные галактики в этих скоплениях двигались так быстро, что суммарной массы составляющих их звёзд не хватало, чтобы удержать систему связанной, и если бы не какая-то «скрытая масса», эти скопления давно бы разлетелись в разные стороны.

Что представляет собой «скрытая масса», Цвикки не знал и так и не узнал до конца своей жизни. Это мог быть не превратившийся в звёзды газ, пыль, какие-то другие слабо светящиеся объекты. Никаких указаний на её природу не было, а встречалась она, казалось, лишь в галактических скоплениях.

По прошествии 40 лет астрономы снова встретились со «скрытой массой». Сначала учёные из эстонской Тартуской обсерватории под руководством Яана Эйнасто, а затем и американка Вера Рубин с коллегами показали, что массы недостаёт и во внешних областях галактик. Как и галактики в скоплениях, звёзды в галактиках тоже двигались быстрее, чем им было положено, и их тоже, видимо, должно было удерживать что-то «лишнее». Эйнасто тут же сообразил, что именно внешние гало галактик (тогда их называли «коронами», как солнечную корону) и могут быть вместилищем недостающего вещества.

Примерно в то же время дополнительная материя понадобилась и другим теоретикам – тем, кто занимался вопросами образования иерархии космических структур – от звёзд и галактик до гигантских скоплений и крупномасштабных «нитей» и «стенок», вдоль которых расположены скопления. Из расчётов получалось, что массы видимого вещества категорически не хватает, чтобы эти структуры выросли за время жизни Вселенной. Здесь тоже нужно было что-то дополнительное, лишнее, и нужно его было много – в разы больше, чем всего видимого вещества.

К началу 1980-х годов эта проблема – «скрытой массы», или «тёмного вещества», — встала в астрономии во весь рост.

И, по сути, остаётся проблемой до сегодняшнего дня. Что это такое, до сих пор никто не знает, хотя и недостатка в гипотезах на этот счёт не наблюдается.

Доминирующей точкой зрения остаётся та, согласно которой тёмную материю составляют массивные элементарные частицы, по какой-то причине очень слабо взаимодействующие с обычным веществом. Устройство мира этих тёмных частиц остаётся тайной за семью печатями, потому что и наши приборы, сделанные из «обычного» вещества, с этим миром почти не соприкасаются. Его частицы не испускают и не поглощают свет, проходят насквозь через звёзды, планеты и наши тела, не взаимодействуя с «нормальными» атомами.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2874171",
    "incutNum": 1,
    "repl": "<1>:{{incut1()}}",
    "uid": "_uid_2977764_i_1"
}

Заметить их мы можем только по гравитационному притяжению с их стороны – например, в галактиках и их скоплениях, где плотность звёзд очень низка; почувствовать их притяжение на Земле и в её ближайших окрестностях не получается, потому что здесь слишком много обычного вещества, на фоне притяжения которого притяжение скрытой массы просто теряется. Впрочем, в последние месяцы появилось сразу несколько экспериментальных результатов, в которых, не исключено, проявилась именно внутренняя – и совсем нетривиальная – структура мира этой тёмной материи. Развитие этой области науки идёт стремительно, и здесь пока очень сложно отделять зёрна от плевел, а здание «новой физики» – от «лесов» математических конструкций, при помощи которых это здание возводится.

Вместе с тем, есть и радикально иная точка зрения на проблему: если законы движения звёзд и галактик предсказывают больше вещества, чем мы видим, – может, проблема не в веществе и нашем зрении, а в самих законах?

При этом речь не идёт даже о законах теории относительности Эйнштейна. Для описания движения звёзд во внешних областях галактик вполне достаточно приближения ньютоновой механики – закона гравитации Ньютона и второго закона его же динамики, так что с ними и предлагается поспорить. Сторонники этой точки зрения вполне резонно замечают, что экспериментально эти законы никогда не проверялись ни на таких огромных расстояниях, которые имеют место в галактиках, ни при таких крохотных ускорениях, что испытывают звёзды, движущиеся на их границах. Что если эти законы нужно модифицировать?

Попытки «поиграться» с формой закона тяготения предпринимались неоднократно, однако ничего путного из них не вышло. То, казалось бы, успешная модификация вдруг спотыкалась о давно установленный в пределах Солнечной системы факт, то предложенный закон делал предсказания чего-то ненаблюдаемого. Чаще же всего они просто не выполняли своего предназначения – необходимость привлечь «тёмную материю», которую выгнали в дверь, начинала маячить в окне новых наблюдений.

Наконец, в начале 1980-х годов израильский астрофизик Мордехай Мильгром осмелился «покуситься на святое» – он предположил, что менять надо не закон тяготения, а второй закон Ньютона, по которому ускорение тела равно приложенной к нему силе, поделённой на его массу.

Мильгром показал, что если при низких ускорениях силе пропорционально не само ускорение, а его квадрат, то движение внешних областей галактик и их скоплений тут же находят объяснение – безо всякой тёмной материи.

Модифицированная ньютонова динамика (МоНД)

спорная теория, предполагающая уточнение законов механики в режиме предельно низких ускорений.

По II закону Ньютона, ускорение, например, планеты Солнечной системы a равно силе притяжения F к Солнцу, делённой на её массу m:
ma=F.
Сама же сила притяжения пропорциональна произведению масс Солнца M и планеты m и обратно пропорциональна квадрату расстояния R между ними:
F=GMm/R²;
коэффициент пропорциональности G называется гравитационной постоянной, или постоянной Кавендиша.

В начале 1980-х годов Мордехай Мильгром предположил, что в случае очень маленьких ускорений a, существенно меньших, чем некоторое «критическое» ускорение a₀ вместо II закона Ньютона действует другой закон:
ma₂/a₀=F,
при этом выражение для силы тяготения Мильгром (в отличие от своих предшественников) оставил прежним.

Этот закон позволил мгновенно и без лишних усилий объяснить плоские кривые вращения галактик, скорость которого почему-то не хотела снижаться на большом удалении от галактики, как снижаются скорости обращения планет вокруг Солнца с расстоянием. Более того, она естественным образом объяснила эмпирический закон Талли-Фишера, связывающий скорость вращения и светимость галактики, предполагая что светимость напрямую пропорциональна массе – как и должно быть в случае, если основную часть массы составляют светящиеся звёзды. МоНД позволил объяснить и несколько других соотношений между параметрами галактик, полученные из наблюдений.

Из теории Мильгрома и наблюдений несложно было оценить значение «критического» ускорения a₀~10^-8см/с². При таких значениях ускорения механику Ньютона и вправду никто прежде не проверял. Кстати, по странному совпадению это значение близко к скорости света, делённой на время жизни Вселенной.

В 2004 году Якоб Бекенштейн опубликовал статью, в которой построил релятивистскую тензорно-векторно-скалярную (ТеВеС) теорию гравитации, которая в режиме малых ускорений переходит в МоНД, и при этом свободна от стандартных неприятностей теорий, «обобщающих» Общую теорию относительности Эйнштейна. У ТеВеС, впрочем, довольно много свободных параметров, что обычно не красит физические теории, претендующие на фундаментальный статус.

Более того, из «модифицированной ньютоновой динамики» (МоНД) Мильгрома совершенно естественным и очевидным образом вытекали и ещё несколько эмпирических законов, связывающих различные характеристики галактик, над объяснением которых астрономы долго ломали головы. Из-за этих успехов и шанса избежать неведомой «тёмной материи» астрономы, выражаясь современным языком, «повелись» на мильгромовский МоНД, и среди астрономов эта теория обсуждается если и не наравне с доминирующими представлениями о наличии тёмной материи, то, по крайней мере, всерьёз.

Стоит отметить, что отношение к МоНДу среди физиков-теоретиков совсем иное – для большей части из них это ересь почти того же порядка, что светоносный эфир или торсионные двигатели. И их можно понять: например, релятивистскую, то есть удовлетворяющую выраженным теорией относительности представлениям о симметрии пространства-времени, версию МоНДа пришлось ждать 20 лет. Израильский физик-теоретик мексиканского происхождения Якоб Бекенштейн опубликовал соответствующую теорию (тензорно-векторно-скалярную гравитацию, ТеВеС) лишь в 2004 году. А до того момента все рассуждения Мильгрома и его коллег физики-теоретики воспринимали примерно так же, как сегодняшние океанологи восприняли бы бубнёж об особенностях циркуляции вод в Индийском океане, опирающийся на модель плоской Земли.

Сейчас обсуждать МоНД стало делом более пристойным, и вот теперь вполне уважаемый профессор Павел Кроупа из Астрономического института имени Аргеландера при Боннском университете в Германии утверждает, что

ему и его коллегам удалось обнаружить парадокс, разрешение которого так или иначе требует отказа от ньютоновой механики.

О своей работе австралиец чешского происхождения Кроупа рассказал на ежегодном совместном общеевропейском и национальном астрономическом съезде (JENAM), который в 2009 году проходит в британском Хартфордшире.

Работа Кроупы, Мануэля Меца и Гельмута Ерьена посвящена карликовым галактикам, окружающим наш звёздный дом – гигантскую галактику Млечный Путь. Недостаток карликов в наблюдениях и так долгое время считался большой проблемой доминирующей космологической модели, но в последнее время проблема, кажется, потихоньку снимается.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2824479",
    "incutNum": 3,
    "picsrc": "Пример – и не самый радикальный – внешнего вида карликовой галактики на небе. Карлик в созвездии Дракона (Draco) еле-еле выделяется на фоне более близких к нам звёзд нашей Галактики, Млечного Пути. // M.Schirmer/U.Bonn",
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_2977764_i_3"
}

Обнаружить их довольно сложно, потому что на фотографиях неба карликовые галактики не выделяются на фоне мириад светил нашей звёздной системы – их удаётся идентифицировать лишь тогда, когда выясняется, что у всех этих звёзд одинаковые физические и кинематические характеристики. Лишь благодаря исполинскому Слоановскому цифровому обзору неба (SDSS) их количество в последнее время начало приближаться к предсказаниям теории.

Кроупа и его коллеги заметили, что значительная часть карликовых галактик, особенно далёких, располагаются примерно в одной плоскости вокруг Млечного Пути и вращаются в одну и ту же сторону, как планеты Солнечной системы вокруг Солнца. Теория тёмной материи предсказывает, что распределение должно быть более или менее изотропным и уж в любом случае в нём не должно быть выделенной оси вращения.

Этот парадокс можно разрешить, если предположить, что указанные карлики – это ошмётки более крупной галактики, поглощённой Млечным Путём миллиарды лет назад. Однако в таком случае в них не должно быть никакой тёмной материи: ободранные с краёв поглощаемой крупной галактики звёзды отваливались от неё без «хвоста» из тёмной материи. Это, в свою очередь, напрямую противоречит другим наблюдениям: звёзды по краям карликов движутся слишком быстро, чтобы их могло удержать притяжение других звёзд.

Иначе говоря, если работают законы Ньютона и есть тёмная материя, тогда там, где она есть по законам Ньютона, её быть не должно.

По мнению Кроупы и его коллег, из этого парадокса один выход – отказаться от ньютоновой механики.

По словам учёных, стыдиться этого нечего. В истории физики уже были случаи, когда ньютонову механику применяли в тех режимах, где она не была экспериментально проверена – например, на очень высоких скоростях или в очень маленьких масштабах, и это приводило к парадоксам. Именно так возникли теория относительности и квантовая механика. Возможно, пора уточнить ньютонову механику и в режиме очень низких ускорений.