Темная материя является нашей ведущей теорией не просто так. Новые детальные исследования самых маленьких галактик могут уничтожить наиболее изученную альтернативу.
Когда вы смотрите на Вселенную, есть несколько вещей, которые вы ожидаете с рациональной точки зрения. Можно было бы ожидать, что те же самые вещи, из которых состоит все, что мы видели, - например, атомы и свет, - составляют все, что существует. Вы ожидаете, что фундаментальные законы будут одинаково хорошо применяться везде, куда бы вы ни посмотрели, от малых до больших масштабов. И вы ожидаете, что если бы у вас было несколько способов измерения одной и той же физической величины, они дали бы вам один и тот же ответ.
Вот почему проблема темной материи представляет собой такую загадку. Мы можем провести огромное количество измерений, которые показывают, что около 5/6 Вселенной по массе не состоит ни из одной из известных частиц. Он не взаимодействует с обычной материей или светом. И если вы измерите массу галактики напрямую, по ее свету, она не будет соответствовать массе, которую вы выведете из гравитации.
Традиционно подход к этой проблеме заключался в добавлении одного ингредиента: темной материи. Если вы предполагаете, что Вселенная состоит не просто из материи, которую мы можем обнаружить напрямую, но что в ней есть дополнительный компонент, вы не ожидаете, что эти два измерения массы совпадут. Если есть что-то, кроме протонов, нейтронов и электронов, составляющих Вселенную, их гравитационные эффекты проявляются, не обязательно оставляя следы видимого света.
Но другим вариантом было бы изменить закон гравитации. Если вы просто добавите к закону тяготения Ньютона дополнительный термин, определяющий минимальную шкалу ускорения, вы сможете объяснить, как галактики вращаются в большей степени, чем идея темной материи. Большая надежда модифицированной гравитации состоит в том, чтобы воспроизвести всю наблюдаемую Вселенную без добавления темной материи.
Хотя попытки внести изменения в гравитацию, которые объясняют все космические наблюдения, до сих пор оказывались неуловимыми, это остается лучшим вариантом для объяснения того, как ведут себя галактики (и более мелкие объекты). Без прямого обнаружения теоретической частицы, которая могла бы быть ответственной за темную материю, дверь должна оставаться открытой для альтернатив. Несмотря на огромное количество космологических свидетельств, указывающих на темную материю, другие варианты также заслуживают рассмотрения.
В науке вы решаете, какие идеи допустимы, а какие уже невозможны, - это сравнивая их друг с другом. Темной материи и модифицированной гравитации трудно сойтись лицом к лицу в галактических масштабах, потому что в них участвует ряд смешанных элементов. Для галактик звездообразование, обратная связь между газом, излучением и темной материей, а также звездные ветры и сложные сценарии слияний затрудняют универсальные прогнозы в таких малых масштабах. Модифицированная гравитация могла бы дать вам гораздо более точные предсказания в этих малых масштабах, но катастрофически потерпит неудачу, когда вы попытаетесь распространить эти модификации на более крупные масштабы, где темная материя достигает наибольшего успеха.
Но есть новая статья, в которой разработан блестящий прямой тест темной материи против модифицированной гравитации. Если закон всемирного тяготения действительно отличается от общей теории относительности Эйнштейна, то он должен одинаково хорошо применяться ко всем галактикам при любых условиях.
Если мы сможем найти две галактики с одинаковыми профилями масс - , где они не только имеют одинаковую общую массу, но и имеют одинаковую массу как функцию-радиуса, как друг друга - мы ожидаем, что они будут демонстрировать те же внутренние движения, что и друг друга. Если бы не было темной материи, а была бы только материя, которую мы наблюдаем, сила гравитации, даже если это модифицированная сила гравитации, должна была бы быть такой же.
Итак, если мы посмотрим на две галактики и увидим, что они не совпадают, то либо по крайней мере одна из галактик должна быть вне равновесия, то есть она находится в состоянии изменения, либо модифицированная гравитация не может' не объяснишь.
С другой стороны, темная материя предлагает чрезвычайно мощное объяснение, которое могло бы объяснить все это, даже если обе галактики находятся в равновесии. Причина? Потому что галактики могли формировать звезды в разное время или с разной скоростью, а история звездообразования затрагивает не только обычную материю, но и темную материю.
Хотя верно, что только нормальная материя взаимодействует (то есть рассеивает) с фотонами, и нормальная материя, и темная материя должны реагировать на радиационное давление. Если галактика сформировала звезды только очень давно, а не много миллиардов лет назад, должно быть много темной материи, которая сейчас населяет внутренние пределы галактики. Но если в последнее время произошло много звездообразования, происходящего в виде нескольких вспышек, это должно эвакуировать массу из галактического центра. При меньшей массе орбиты частиц темной материи меняются, снижая внутреннюю плотность темной материи в самых внутренних областях. (Еще в 2014 году об этом был хороший обзор.) Как объяснил Джастин Рид в разговоре с ним:
… радиационное давление, звездные ветры и сверхновые выталкивают газ (через обычное электромагнитное взаимодействие), и затем темная материя реагирует на измененный центральный гравитационный потенциал.
Лучшая лаборатория для проверки этого - маленькие карликовые галактики, где эти эффекты должны быть самыми значительными.
Если все галактики продемонстрируют одинаковое гравитационное поведение, это будет победой модифицированной гравитации. Но если мы сможем проследить историю звездообразования этих галактик - , что мы можем сделать, исследуя звездное население, обнаруженное внутри них - , и если эти галактики будут демонстрировать различное гравитационное поведение из-за них, это будет победой темной материи, и удар по теориям модифицированной гравитации, которые делают противоположные предсказания.
Количество галактик, которые мы нашли и исследовали, чтобы проверить это, невелико, но в новой статье под руководством Джастина Рида они рассматривают 16 таких галактик и обнаруживают, что темная материя «нагревается» объяснение работает!
Они изучили 8 карликовых сфероидальных и 8 карликовых неправильных галактик и обнаружили, что существует две популяции: одна, где звездообразование не происходило последние 6 миллиардов лет, и другая, где оно происходило. Те, где звездообразования не происходило в последнее время, согласуются с большим количеством темной массы в центре (отсутствие недавнего нагрева), а те, где это произошло недавно, показывают гораздо меньше темной материи в своих центрах (свидетельство недавнего нагрева). Это указывает на то, что темная материя существует, она холодная и бесстолкновительная, и что она может быть нагрета в результате недавнего звездообразования.
В частности, две галактики (Драко и Киля) имеют почти одинаковые массы и нормальные профили масс, но совершенно разные гравитационные эффекты.
Примечание авторов:
Эти две галактики требуют разных профилей динамической массы для почти одного и того же радиального профиля света. Это вызов не только для MOND, но и для любой теории гравитации слабого поля, которая стремится полностью объяснить DM.
Тот факт, что эти две галактики демонстрируют такие разные гравитационные эффекты, говорит нам о том, что либо с одной из них что-то очень смешное (что-то должно быть вне равновесия), либо темная материя нагревается звездообразование и модифицированная гравитация не могут этого объяснить. Как всегда, для решения этой загадки потребуются дополнительные данные, дополнительные галактики и дальнейшие исследования, но, наконец, мы ищем жизнеспособный способ доказать, что модифицированная гравитация неверна в масштабах галактики. Даже без непосредственного обнаружения частицы темная материя может просто нанести сокрушительный удар по своей величайшей конкурирующей альтернативе.