Тёмной материи никогда не существовало? Как звёзды на краю галактик разгоняет сама Вселенная

Законы классической физики требуют, чтобы скорость движения небесных тел падала по мере удаления от центра тяжести системы. В Солнечной системе эта закономерность прослеживается идеально: планеты подчиняются законам Кеплера. Меркурий, находящийся ближе всего к колоссальной массе Солнца, обращается по орбите со скоростью около сорока семи километров в секунду. Земля движется медленнее — около тридцати километров в секунду, а далекий Нептун преодолевает за секунду всего пять с половиной километров. Причина проста: гравитационное притяжение ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния. Чтобы удержаться на круговой орбите и не упасть на звезду, удаленному телу требуется меньшая центробежная сила, а значит, и меньшая скорость. Скорость падает обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра.

В семидесятых годах двадцатого века американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд применили оптическую спектроскопию для точного измерения скоростей движения внешних областей десятков спиральных галактик. Результат наблюдений вошел в прямое противоречие с классической теорией тяготения. В центральных регионах галактик, где сконцентрирована основная масса видимых звезд, скорость обращения вещества растет по мере удаления от ядра, пока не достигает определенного максимума. Однако дальше, на громадных расстояниях от центра, где число звезд резко падает и гравитационное притяжение должно угасать, скорость движения звезд и газовых облаков не снижается. Вместо падения график скорости образует горизонтальную прямую — так называемую плоскую кривую вращения. Вещество на самых удаленных окраинах галактических дисков обращается вокруг центра с той же скоростью, что и в густонаселенных центральных областях — от ста пятидесяти до трехсот километров в секунду в зависимости от размера системы.

Если рассчитать гравитационный потенциал галактики на основе видимого вещества — звезд, планетных систем, пылевых скоплений и нейтрального газа, — выясняется, что этой массы недостаточно для удержания внешних областей. По всем законам механики центробежная сила должна была сорвать наружные рукава, рассеяв звезды в межгалактическом пространстве. Чтобы спасти существующую теорию тяготения, астрофизика пошла по пути введения скрытой массы. Родилась гипотеза о том, что каждая видимая галактика погружена в массивное сферическое облако — гало из темной материи. Предполагается, что эта форма вещества не испускает света, не поглощает и не отражает электромагнитное излучение, проявляя себя исключительно через гравитационное притяжение. В общепринятой космологической модели на долю темной материи приходится около восьмидесяти пяти процентов всей массы Вселенной.

Однако полувековая программа прямых лабораторных поисков темной материи зашла в тупик. Глубоко под землей были построены сверхчувствительные детекторы на жидком ксеноне и аргоне, защищенные толщей горных пород от космического излучения, но они не зарегистрировали ни одного достоверного столкновения гипотетических частиц с атомами обычного вещества. Эксперименты на Большом адронном коллайдере в Женеве также не обнаружили следов новых тяжелых частиц, предсказанных теориями суперсимметрии. В физике возник фундаментальный кризис: либо ученые ищут частицы, свойства которых невозможно проверить экспериментально, либо наши базовые законы тяготения не работают на галактических расстояниях.

В 1983 году израильский теоретик Мордехай Милгром предложил радикальную альтернативу: не населять космос невидимыми частицами, а скорректировать сам второй закон Ньютона. Эта концепция получила название модифицированной ньютоновской динамики, или MOND. Милгром заметил важную деталь: на внешних границах галактик гравитационные поля не просто ослаблены огромными расстояниями — там становятся исчезающе малыми сами ускорения, испытываемые звездами. В гравитационном поле Земли ускорение свободного падения составляет почти десять метров на секунду в квадрате. У орбиты Нептуна оно снижается до тысячных долей. Но на далекой периферии звездного диска галактики ускорение свободного падения звезд к общему центру падает ниже одной десятимиллиардной доли метра на секунду в квадрате.

Милгром выдвинул гипотезу: в природе существует абсолютный порог ускорения, составляющий примерно одну десятимиллиардную долю метра на секунду в квадрате. Если тело движется с ускорением выше этого порога, работают привычные законы Ньютона: сила строго пропорциональна ускорению, а гравитация падает обратно пропорционально квадрату расстояния. Но когда ускорение падает ниже критического уровня, динамика движения перестраивается. Реальное ускорение становится пропорциональным квадратному корню из произведения обычного ньютоновского ускорения на введенную критическую величину.

Математическое следствие этой гипотезы оказалось поразительным. Если приравнять центростремительное ускорение круговой орбиты к новому модифицированному тяготению, расстояние от центра галактики в итоговом выражении полностью сокращается. Четвертая степень орбитальной скорости звезд оказывается прямо пропорциональна массе обычного видимого вещества галактики. Формула Милгрома с высокой точностью объяснила два важнейших наблюдательных факта: скорость движения звезд на окраинах перестает зависеть от радиуса и выходит на постоянный уровень, формируя ту самую плоскую кривую вращения; высота этой постоянной скорости однозначно диктуется суммарной массой обычного барионного вещества галактики. Это математически вывело эмпирический закон Талли — Фишера, известный астрономам: чем больше видимая масса галактики, тем выше скорость обращения звезд на ее плато, причем эта связь строго подчиняется зависимости четвертой степени.

При всех эмпирических успехах MOND страдала от очевидного изъяна. Она представляла собой удобный математический рецепт, но не давала физического ответа на вопрос: почему законы механики должны меняться именно на этом числовом значении? Более того, значение критического ускорения Милгрома подозрительно точно совпало с космологическими масштабами. По порядку величины оно равнялось произведению фундаментальной скорости света на постоянную Хаббла, которая определяет современную скорость расширения Вселенной. Точно такое же число получается, если разделить скорость света на текущий возраст Вселенной — около четырнадцати миллиардов лет. В классической механике не было причин, по которым отдельная звезда на краю галактики должна выстраивать свою орбиту в согласии со скоростью расширения всего объема Вселенной. Порог ускорения считался неизменной константой, встроенной в природу без всякого физического обоснования.

Возможности оптических и радиотелескопов ограничены: они способны отслеживать скорости только там, где есть светящиеся звезды или холодный водородный газ. Это позволяет изучать галактики на удалениях до ста или двухсот тысяч световых лет от центра. Дальше газовые облака рассеиваются, и вещество становится слишком разреженным для спектрального анализа. Чтобы измерить силу гравитации на еще больших расстояниях, астрофизики используют метод слабого гравитационного линзирования. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, любая масса искри