Если дело не в гравитации, то очень и очень быстро возникают проблемы.
Приведенное выше изображение, составленное из оптических данных, рентгеновских данных и реконструированной карты масс, является одним из самых известных и информативных во всей астрономии. Известный как Скопление Пуля, он демонстрирует два скопления галактик, которые недавно столкнулись. Отдельные галактики, присутствующие в скоплениях, словно два орудия, наполненных птичьими пулями, стреляли друг в друга, проходили сквозь друг друга, поскольку вероятность столкновения была чрезвычайно мала. Однако межгалактический газ внутри каждого скопления, в значительной степени рассеянный и составляющий большую часть обычного вещества, столкнулся и нагрелся, излучая рентгеновские лучи, которые мы можем наблюдать сегодня. Но когда мы использовали наши знания общей теории относительности и отклонения фонового света, чтобы реконструировать, где должна быть масса, мы обнаружили ее рядом с галактиками, а не с материей внутри скопления. Следовательно, темная материя должна существовать.
Согласно стандартной линии рассуждений, скопления состоят из темной материи и нормальной материи в соотношении 5:1. Когда они сталкиваются, диффузная нормальная материя сталкивается, слипается и нагревается, а сгустки (галактики) и темная материя проходят сквозь них, создавая наблюдаемые эффекты.
Но, как и в случае с любой отличной идеей, необходимо рассмотреть все альтернативы. Рентгеновские лучи не лгут: сегодня между двумя разделенными скоплениями действительно так много материи, поэтому любые аргументы против должны быть отброшены. Идея о том, что внутри скоплений есть сверхкомпактные невидимые сгустки обычной материи, интригует, но систематический набор наблюдений и анализов показывает, что этого недостаточно для объяснения наблюдаемых эффектов. И идея, что это уникально для этого единственного скопления во Вселенной, опровергается большим количеством других сталкивающихся скоплений, которые с тех пор были обнаружены, и наблюдались те же эффекты.
Возможно, тогда есть интригующая альтернатива, которую мы должны рассмотреть: при правильных условиях гравитация проявляет нелокальные эффекты. Это звучит безумно, но это отличительная черта многих физически важных процессов, таких как квантовая Вселенная. Основная идея состоит в том, что эффекты гравитации возникают в разных местах, отличных от того, где находится большая часть материи. Теории нелокальной гравитации превосходно воспроизводят успехи модифицированных идей гравитации, таких как кривые вращения галактик. В то время как в недавней статье использовались ограничения от гравитационных волн и гамма-лучей, чтобы исключить некоторые варианты модифицированной гравитации, когда они движутся по разным путям, одним из выживших является MOG: теория гравитации с нелокальными эффектами. (Нелокальный означает, что его последствия не полностью расположены там, где расположены источники.)
Но как бы убедительно это ни было, это не может быть правильным, и требуется только мысленный эксперимент, чтобы понять, почему.
Представьте, что потребовалось бы, чтобы два скопления галактик после столкновения продемонстрировали эффект, при котором большая часть материи находится в центральной области, где произошло столкновение, но где находится большая часть гравитационных эффектов. расположен в центре в другом месте. Это потребовало бы, чтобы гравитация и масса не выстраивались вместе. На самом деле это то, что мы видим, когда смотрим только на обычную материю в скоплениях галактик: места, где мы видим/отслеживаем газ и где мы реконструируем массу на основе гравитационного линзирования, не совпадают идеально.
Либо гравитация ведет себя нелокально, либо существует какая-то невидимая форма массы: темная материя. Но есть простой способ отличить их друг от друга! Просто взгляните на скопления галактик, которые не находятся в процессе столкновения, или посмотрите на два соседних скопления, которые движутся навстречу друг другу, но еще не слились. Если темная материя является правильным объяснением, сигнал гравитационного линзирования должен отслеживать распределение материи: все должно быть локальным. Но если ответом является нелокальная гравитация, гравитационные эффекты должны наблюдаться там, где материя не находится.
К счастью, у нас есть эти данные и ответ.
Когда ваше скопление не нарушено, гравитационные эффекты локализуются там, где распределена материя. Только после того, как произошло столкновение или взаимодействие, мы видим то, что кажется нелокальным эффектом. Это указывает на то, что во время процесса столкновения что-то происходит, чтобы отделить нормальную материю от того места, где мы наблюдаем гравитационные эффекты. Добавление темной материи делает эту работу, но нелокальная гравитация будет делать разные предсказания до и после, которые не могут одновременно совпадать с тем, что мы наблюдаем.
Интересно, что этот аргумент выдвигался уже более десяти лет, и ни один из противников темной материи не смог найти удовлетворительного контраргумента. Не смещение гравитации от нормальной материи «доказывает» существование темной материи, а скорее тот факт, что смещение происходит только в средах, где темная материя и нормальная материя были бы разделены астрофизическими процессами. Это фундаментальный вопрос, который необходимо решить, если мы хотим серьезно относиться к альтернативам темной материи как к завершенным теориям, а не как к идеям в зачаточном состоянии. Это время еще не наступило.