Физики точно рассчитали плотность темной материи — и поняли, что ее может вовсе не существовать

Астрофизика подошла к точке, где привычная картина мира может рухнуть. Скорости звезд на окраинах галактик слишком высоки: если сложить массу всех видимых звезд, планет и газовых облаков, их суммарного притяжения не хватит, чтобы удерживать внешние области от распада. Десятилетиями этот парадокс объясняли существованием темной материи — невидимых частиц, которые не излучают и не поглощают свет, но создают недостающую гравитацию. Однако новая работа южнокорейского физика Юнсоба Юна из Университета Седжон, опубликованная в журнале Physics of the Dark Universe, показывает: загадочные галактические скорости можно точно рассчитать вообще без темной материи.

Проблема, с которой столкнулись астрономы, выглядит почти издевательски просто. По классическому закону Ньютона сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния: Меркурий несется вокруг Солнца со скоростью около 47 километров в секунду, Земля — 30, далекий Плутон — менее 5. В 1970-х ученые ждали увидеть ту же картину на окраинах спиральных галактик: основная масса видимого вещества сосредоточена в центре, значит, чем дальше от ядра, тем медленнее должны двигаться звезды. Наблюдения показали обратное — кривая вращения галактик оставалась плоской. Звезды в десятках тысяч световых лет от центра двигались с теми же скоростями, что и их соседи вблизи ядра.

Чтобы не пересматривать базовые законы физики, ввели понятие гало темной материи. По расчетам, масса этого невидимого компонента должна превышать массу обычного вещества примерно в пять раз. Но с накоплением данных астрофизики наткнулись на факт, который стандартная модель объяснить не в силах. Речь о проблеме центральной поверхностной плотности. Если перемножить плотность темной материи в центре галактики (ρ₀) на характерный радиус этого ядра (r₀), получится величина, измеряемая в солнечных массах на квадратный парсек. Астрономы проверили ее для сотен галактик — от карликовых, которые светят очень слабо, до исполинских спиральных и эллиптических, чья светимость превышает светимость карликов в 400 000 раз. Логично было ждать кардинальных различий, но центральная поверхностная плотность у всех оказалась почти одинаковой — в узком интервале от 90 до 220 солнечных масс на квадратный парсек.

Для стандартной космологии это необъяснимо. Считается, что темная материя состоит из частиц, которые слабо сталкиваются между собой, сгустки образуются при гравитационном сжатии в ранней Вселенной, а затем случайным образом сливаются. Видимое вещество падает внутрь этих сгустков позже, и каждая галактика переживает уникальную историю столкновений. Нет физического механизма, который заставлял бы независимые облака невидимых частиц во всех галактиках выстраиваться так, чтобы произведение плотности на радиус ядра всегда давало одну и ту же величину. Это указывает на то, что эффект связан не со скрытой массой, а со свойствами самого гравитационного взаимодействия.

Попытки объяснить движение звезд без темной материи предпринимались давно. В 1983 году израильский физик Мордехай Милгром выдвинул гипотезу модифицированной ньютоновской динамики (MOND). Он обратил внимание, что на окраинах галактик ускорение свободного падения падает ниже критического значения — примерно 1,2 x 10⁻¹⁰ метра на секунду в квадрате, что в сто миллиардов раз меньше ускорения на поверхности Земли. Милгром предположил: при таких малых ускорениях второй закон Ньютона перестает работать в привычном виде, и сила притяжения убывает не обратно квадрату расстояния (1/r²), а обратно расстоянию в первой степени (1/r). Модель успешно описывала кривые вращения сотен галактик, используя только массу видимого вещества, но оставалась эмпирической подгонкой формул под наблюдения — без объяснения, почему фундаментальные законы должны меняться, и без строгой связи с квантовой физикой и общей теорией относительности.

В 2016 году нидерландский физик-теоретик Эрик Верлинде предложил фундаментальное обоснование для изменения законов гравитации — концепцию эмерджентной гравитации. Слово «эмерджентность» обозначает появление у сложной системы новых свойств, которыми не обладает ни один из ее компонентов: отдельная молекула не имеет температуры или давления, они возникают лишь при статистическом движении огромного количества молекул. Верлинде применил этот принцип к гравитации: в его теории она не является фундаментальной силой, заложенной в элементарные частицы, а возникает как термодинамический результат квантовых процессов на самых фундаментальных масштабах пространства.

Основой служит голографический принцип: вся информация о процессах внутри некоторого объема пространства может быть описана на границе этого объема. В нашей Вселенной существует космологический горизонт, обусловленный темной энергией и расширением пространства, и на нем записана квантовая информация (энтропия). Когда обычная материя — протоны, нейтроны и электроны — концентрируется в определенной области, она меняет распределение квантовой информации вокруг, а изменение энтропии порождает термодинамическую силу, стремящуюся вернуть систему в равновесие. На малых расстояниях и при высоких плотностях эта сила в точности совпадает с законом Ньютона и уравнениями Эйнштейна. Но на галактических масштабах, где ускорения малы, а расширение Вселенной значимо, в уравнениях возникает дополнительное ускорение — строго той же величины, которую астрономы привыкли связывать с гравитацией темной материи. Никаких скрытых частиц нет: дополнительная сила порождается термодинамическим откликом самого пространства на присутствие видимого вещества.

Долгое время концепцию Верлинде не могли применить к сложным астрономическим расчетам из-за нарушения принципа суперпозиции. В классической механике гравитационные поля подчиняются простому сложению: чтобы рассчитать силу тяжести от десяти звезд, вычисляют силу каждой по отдельности, а затем складывают векторы. В эмерджентной гравитации уравнения принципиально нелинейны — дополнительная сила зависит от плотности массы не напрямую. Нельзя просто сложить эффекты от двух соседних звезд: присутствие первой меняет величину термодинамического отклика пространства на вторую. Из-за этого теорию удавалось применять только к простым симметричным объектам — одиночной изолированной точке или идеальной сфере. Рассчитать реальную галактику из миллиардов звезд аналитически было невозможно.

Эту математическую проблему решил Юнсоб Юн. В начале 2024 года он вывел формулу, позволяющую учитывать взаимное влияние нескольких источников массы в нелинейной среде Верлинде, что дало возможность корректно суммировать гравитационные эффекты от протяженных и неоднородных распределений видимого вещества. В исследовании, опубликованном в сентябре 2024 года, Юн поставил прямой вопрос: если верна теория эмерджентной гравитации, а астрономы по-прежнему интерпретируют движение звезд через ньютоновскую физику и темную материю, какую поверхностную плотность невидимого вещества они должны обнаружить в центрах галактик? Для расчета не потребовалось произвольных коэффициентов — в уравнения входили только фундаментальные константы: скорость света, гравитационная постоянная и постоянная Хаббла, определяющая скорость расширения Вселенной.

Результат теоретического расчета составил 170 солнечных масс на квадратный парсек. Это число почти точно ложится в центр эмпирического интервала от 90 до 220, полученного из наблюдений сотен галактик. Теория показала: неизменность центральной плотности темной материи не случайна — это прямое математическое следствие того, как термодинамическая реакция пространства зависит от постоянной Хаббла. Поскольку скорость расширения Вселенной едина для всех существующих сейчас галактик, рассчитанная величина центральной поверхностной плотности оказывается одинаковой для систем любой массы.

Работа Юна получила дополнительное подтверждение на совсем других астрономических масштабах. Профессор Кю-Хён Чхэ, также работающий в Университете Седжон, провел серию исследований с использованием данных европейского космического телескопа Gaia. Он изучал широкие двойные звезды — пары, вращающиеся вокруг общего центра масс, но разделенные расстояниями от 2 000 до 20 000 астрономических единиц. Из-за колоссальной дистанции взаимное притяжение между компонентами крайне слабо, и ускорение падает ниже того самого критического значения 1,2 x 10⁻¹⁰ м/с². В масштабах отдельной пары темная материя не может оказывать заметного влияния: объем пространства между двумя звездами слишком мал, чтобы там скопилось количество темных частиц, способное изменить орбитальную скорость. Если законы Ньютона верны, такие пары обязаны двигаться строго по классической механике. Анализ движения десятков тысяч звездных пар показал: при падении ускорения ниже критического порога звезды начинают двигаться быстрее ньютоновского предсказания — скорость их взаимного обращения оказалась выше расчетной примерно на 20–30 процентов. Это совпадает с предсказаниями модифицированной и эмерджентной гравитации и прямо доказывает, что при малых ускорениях законы тяготения меняются сами по себе, без участия скрытой массы.

Исследование Юна и сопутствующие наблюдения ставят перед фундаментальной физикой важные вопросы. На протяжении четырех десятилетий ученые безуспешно пытаются зафиксировать частицы темной материи экспериментально. Для этого строятся детекторы высокой чувствительности глубоко под землей для защиты от космических лучей — например, установки XENONnT в Италии и LUX-ZEPLIN в США, где используются тонны жидкого ксенона в надежде зафиксировать редчайшие столкновения гипотетической частицы с атомным ядром. До сих пор ни один детектор не зарегистрировал достоверных следов таких столкновений, а эксперименты на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе также не выявили следов частиц темной материи.

В то же время теоретические расчеты показывают, что наблюдаемые особенности галактик можно объяснить, отказавшись от идеи темной материи в пользу пересмотра законов гравитации. Тот факт, что эмерджентная гравитация без свободных параметров выдает точное числовое значение центральной поверхностной плотности, демонстрирует математическую состоятельность концепции. Следующим этапом проверки теории Верлинде станет ее применение к еще более масштабным структурам Вселенной: скоплениям галактик и космическому микроволновому фоновому излучению. До сих пор стандартная модель темной материи лучше справлялась с описанием реликтового излучения, чем альтернативные теории. Если расчеты в рамках эмерджентной гравитации смогут успешно объяснить распределение температурных неоднородностей в ранней Вселенной, необходимость в гипотезе темной материи окончательно исчезнет. Это будет означать, что гравитация действительно является результатом квантовых термодинамических процессов, а не неизменным фундаментальным взаимодействием.