Совместно с коллегами из США ученые Боннского университета (Германия) применили высококачественное комплексное моделирование для создания специального теста, с помощью которого они собираются прояснить вопрос о существовании так называемой темной материи. А если подтверждение темной материи не удастся, считают исследователи, то придется вносить изменения в ньютоновский Закон всемирного тяготения.
Моделирование: На этом изображении показано распределение темной материи (вверху) и видимых звезд (внизу). Фото E. Garaldi, C. Porciani, E. Romano-Díaz /Universität Bonn für die ZOMG Kollaboration
Исследовательская группа профессора Кристиано Порчиани из Рейнского института Фридриха-Вильгельма в Бонне и Марселя С. Павловски из Калифорнийского университета в Ирвине в свежем номере научного журнала Physical Review Letters рассказала, как на суперкомпьютере было проведено моделирование распределения материи в так называемых галактиках-сателлитах. При этом речь идет о небольших галактических карликах, расположенных поблизости Млечного пути или Туманности Андромеды.
Подоплека
Вопрос о существовании темной материи – это один из наиболее острых вопросов современной космологии. То, что так называемая темная материя существует, предположил еще более 80 лет назад швейцарский астроном Фритц Цвикки. Цвикки определил, что галактики и галактические скопления движутся настолько быстро, что они должны бы были рассеяться и разлететься в разные стороны. Поэтому он постулировал наличие невидимой материи, которая благодаря своей массе создает достаточную гравитацию, чтобы воспрепятствовать структурному разрушению галактик и галактических скоплений. Его американская коллега Вера Рубин в 1970 годы открыла похожий феномен в спиральных галактиках типа Млечного пути: они вращаются с такой скоростью, что по всем физическим законам должны бы были быть разорванными под действием центробежной силы.
Сегодня большинство физиков убеждено в том, что таинственная темная материя не просто существует, а даже составляет около 80 процентов массы вселенной. Так как она не взаимодействует со светом, ее невозможно увидеть в телескопы. Правда, ее существование замечательно вписывается в ряд других наблюдений – например, в распределение фоновых излучений, с помощью которых становится заметным «послесвечение» Большого взрыва. Также существование темной материи вполне объясняет расположение и скорость возникновения галактик во вселенной.
Но непосредственного подтверждения, что такая темная материя существует, несмотря на многочисленные экспериментальные попытки, пока что обеспечить не удалось. Это породило среди астрономов гипотезу, что гравитационные силы, вероятно, могут вести себя иначе, чем предполагалось ранее. Такая теория сокращенно называется MOND (МОдифицированная Ньютоновская Динамика). В соответствии с ней, притяжение между двумя массами лишь ограниченно подчинено ньютоновским законам. Но при очень малых ускорениях, каковые господствуют в галактиках, гравитация становится значительно более сильной. Именно по этой причине галактики под действием своей скорости вращения не разрываются. Таким образом, теория MOND предполагает отказ от подобного «галактического клея» в форме темной материи. Новое исследование обеспечивает астрономам возможность проверить две гипотезы.
Во время проведенного ими моделирования исследователи сфокусировались на связи с определением «radial acceleration relation» (RAR), то есть «зависимость радиального ускорения». «В галактиках звезды движутся по круговым орбитам вокруг своего центра», - говорится в пресс-релизе Боннского университета. - «Это значит, что они подвержены ускорению, которое принуждает их к постоянному изменению направления. Это вызвано силой притяжения материи в галактике. Если принимать во внимание только видимую материю, ускорение должно бы было быть значительно меньшим. Зависимость RAR описывает соотношение между этим значением и фактически наблюдаемым ускорением. И это позволяет заглянуть в структуру галактики».
Снятая зондом Gaia небесная сфера в цвете. Фото ESA/Gaia/DPAC
В первый раз ученые смоделировали RAR карликовых галактик, заложив в условия то, что темная материя существует. «Модель показала, что они, в принципе, ведут себя, как и большие галактики, только значительно меньшие по размерам», - говорит Порциани. - «Но что, если темной материи не существует, но при этом гравитация «функционирует» иначе, чем это предположил Ньютон?» Еще до этого рабочим группам удалось показать, что RAR карликовых галактик в значительной мере зависит от удаления их от своих материнских галактик, в то время как при наличии темной материи, как следует из модели, такой разницы наблюдаться не должно. «Поэтому результаты этого эксперимента могут рассматриваться в качестве теста на то, существует ли темная материя на самом деле или нет».
Ответ должен дать космический зонд ESA Gaia, который с 2013 году занимается подробным изучением галактик-сателлитов и звезд Млечного пути. Но и при условии постоянно обновляющихся данных зонда Gaia ответ на этот вопрос придется ожидать как минимум несколько лет. «При отдельных разрозненных измерениях небольшие различия, которые мы определили по модели, обнаружить на практике не удастся. Для этого инструменты спутника недостаточно точны», - считают исследователи. - «Повторные съемки и записи тех же самых звезд позволят со временем сделать более точные заключения. И, в конце концов, таким образом все-таки удастся определить, ведут себя карликовые галактики в соответствии с наличием в них среды темной материи или нет».
0
