Тёмная материя под вопросом: аномалии гравитации как новая парадигма?

Новое исследование ставит под сомнение существование тёмной материи — самой загадочной субстанции во Вселенной. Учёный предполагает, что исключение тёмной материи из космологических моделей может стать возможным, если гравитация ведёт себя иначе на колоссальных межгалактических масштабах.

Тёмная материя десятилетиями остаётся «нерешённой головоломкой» для физиков. Несмотря на то, что, согласно расчётам, её в пять раз больше, чем обычной барионной материи, она совершенно невидима, поскольку не взаимодействует со светом (электромагнитным излучением). Вся видимая материя — от звёзд и планет до живых организмов — состоит из частиц, взаимодействующих со светом, поэтому поиск гипотетических частиц тёмной материи долгое время был главным направлением исследований. Однако, если наши представления о гравитации в масштабах галактик ошибочны, эта неуловимая добавка к Стандартной модели физики частиц может и не понадобиться. Именно такую гипотезу выдвигает Наман Кумар из Индийского технологического института.

«Загадка тёмной материи — невидимой, повсеместной и необходимой в стандартной космологии — довлеет над физикой десятилетиями, — пишет Кумар для Phys.org. — В новом исследовании я изучаю иную возможность: вместо постулирования новых частиц я предполагаю, что сама гравитация может вести себя иначе на самых больших масштабах».

Учёные сделали вывод о существовании тёмной материи исключительно по её гравитационному воздействию. Первым свидетельством стало наблюдение, что галактики вращаются так быстро, что одной гравитации видимой материи было бы недостаточно, чтобы удержать их от разлёта. Другой ключевой аргумент — гравитационное линзирование, искривление света массивными объектами. Сила этого искривления вокруг галактик слишком велика, чтобы её можно было объяснить только видимым веществом, что указывает на наличие невидимых «гало» из тёмной материи.

Поскольку все доказательства тёмной материи — гравитационные, модифицированная теория гравитации могла бы полностью устранить необходимость в ней.

Новый взгляд на силу притяжения

Чтобы проверить эту идею, Кумар рассмотрел гравитацию через призму квантовой теории поля на чрезвычайно малых масштабах, сопоставимых с длиной волны инфракрасного света (так называемая «инфракрасная бегущая схема»). В этом подходе ньютоновская гравитационная постоянная «G» может меняться («пробегать») в зависимости от масштаба.

«Результаты указывают на убедительный теоретический сценарий, в котором эффективная сила гравитации subtly меняется на галактических расстояниях», — поясняет учёный.

Обычно гравитация подчиняется закону обратных квадратов (1/r²): при удвоении расстояния от источника сила притяжения ослабевает вчетверо. Однако в рамках своей модели Кумар обнаружил гравитационный потенциал, отклоняющийся от этого закона и создающий дальнодействующую силу вида 1/r. Именно это может объяснять наблюдаемые скорости вращения галактик, которые сейчас приписывают тёмной материи.

«Эти результаты показывают, что инфракрасная бегущая схема может объяснить вращение галактик без привлечения доминирующей компоненты холодной тёмной материи», — утверждает Кумар.

Учитывая, что на тёмную материю, по текущим оценкам, приходится около 85% материи во Вселенной, её удаление из моделей кардинально меняет наше понимание эволюции космоса. Однако модель Кумара, по его словам, может согласовываться с существующими наблюдениями. На ранних этапах развития Вселенной (во время формирования реликтового излучения и крупномасштабной структуры) любые изменения в гравитации должны быть минимальны, чтобы не противоречить точным космологическим измерениям. В его рамках поправки растут медленно с увеличением масштаба и времени, что согласуется с данными о ранней Вселенной и становится значимым лишь на поздних этапах и больших масштабах.

Следующим шагом станет проверка теории «инфракрасной бегущей гравитации» на данных по гравитационному линзированию и скоплениям галактик, формирование которых сегодня объясняется каркасом из тёмной материи.

«Моя работа открывает путь к пониманию феноменов тёмной материи не как отсутствующих частиц, а как тонкой особенности самой гравитации — глубокого следствия масштабной зависимости в квантовополевой теории гравитации, — заключает Кумар. — Хотя этот подход пока не полностью заменяет тёмную материю в космологической стандартной модели, особенно в объяснении детального формирования структур и данных линзирования, он подчёркивает возможную скрытую сложность гравитации и призывает переосмыслить природу эффектов, приписываемых тёмной материи».

Исследование Намана Кумара было опубликовано в журнале Physical Review B.

Работа Кумара вписывается в долгосрочную научную дискуссию между сторонниками теорий модифицированной ньютоновской динамики (MOND) и общепринятой ΛCDM-модели с тёмной материей. В отличие от классических теорий MOND, его подход пытается найти фундаментальное обоснование в квантовой теории поля. Критики, однако, отмечают, что объяснить весь комплекс наблюдательных данных — от реликтового излучения до столкновений галактических скоплений — без тёмной материи по-прежнему чрезвычайно сложно. Успех или неудача новой теории будет зависеть от её способности давать более точные количественные предсказания, чем стандартная модель, в условиях всё более точных астрофизических наблюдений обсерваторий следующего поколения.