Главную тайну космоса поставили под сомнение: гравитация может обходиться без тёмной материи

Тёмная материя десятилетиями считается неотъемлемой частью современной космологии, объясняя поведение галактик и структуру Вселенной. Однако новая теоретическая работа предлагает радикальный взгляд: возможно, загадочное вещество вовсе не существует. Альтернативное объяснение связывает наблюдаемые эффекты с необычным поведением самой гравитации на огромных масштабах. Об этом сообщает Space.com со ссылкой на публикацию в Physical Review Letters B.

Почему тёмная материя стала ключевым элементом космологии

Тёмную материю ввели в научные модели из-за несоответствия между наблюдаемым движением галактик и расчётами, основанными только на видимом веществе. Галактики вращаются слишком быстро, и без дополнительной массы они попросту должны были бы распасться. Аналогичная проблема возникает и при наблюдении гравитационного линзирования, когда свет далёких объектов искривляется сильнее, чем это возможно объяснить обычной материей.

Считается, что тёмная материя превосходит обычную по массе примерно в пять раз, при этом она не взаимодействует со светом и потому остаётся невидимой. Единственный способ "увидеть" её - через гравитационное воздействие на пространство и барионную материю.

Альтернатива: гравитация вместо новых частиц

Наман Кумар из Индийского технологического института предложил отказаться от поиска гипотетических частиц и взглянуть на проблему иначе. В своей работе он рассматривает гравитацию в рамках квантовой теории поля и допускает, что гравитационная постоянная Ньютона может меняться в зависимости от масштаба расстояний.

"Тайна тёмной материи — невидимой, повсеместной и необходимой для стандартной космологии — нависла над физикой уже десятилетиями. В новых исследованиях я исследую другую возможность: вместо того чтобы предполагать новые частицы, я предполагаю, что, возможно, гравитация сама ведёт себя иначе на самых больших масштабах", — писал Кумар для Phys. org.

Такой подход получил название "инфракрасного запуска" гравитации и предполагает, что на галактических расстояниях сила притяжения может ослабевать не по классическому закону обратных квадратов.

Как меняется закон гравитации

В классической физике сила гравитации убывает как 1/r²: при удвоении расстояния она становится в четыре раза слабее. Кумар показал, что в его модели на очень больших масштабах гравитационный потенциал может переходить к зависимости 1/r. Это означает более сильное притяжение на больших расстояниях, достаточное для объяснения наблюдаемого вращения галактик без привлечения тёмной материи.

Модель была протестирована, в частности, на примере галактики Мессье 33. Расчёты показали, что такая модифицированная гравитация способна воспроизвести кривые вращения, которые ранее объяснялись наличием массивных гало тёмной материи.

"Эти результаты свидетельствуют о том, что сценарий инфракрасного запуска может объяснить вращение галактик без использования доминирующего компонента холодной тёмной материи", — объяснил Кумар.

Совместимость с ранней Вселенной

Одним из главных вопросов остаётся согласие новой теории с данными о ранней Вселенной — космическом микроволновом фоне и формировании крупномасштабной структуры. По словам автора, изменения гравитации в его модели на ранних этапах эволюции космоса минимальны и не противоречат точным наблюдениям.

"В рамках инфракрасного запуска коррекции медленно растут с масштабом и временем, сохраняя согласие с ограничениями ранних вселенных и становясь актуальными только в более поздние эпохи и в больших масштабах", — писал Кумар.

Что дальше

Следующий этап исследований — проверка теории на данных гравитационного линзирования и наблюдениях скоплений галактик. Пока модель не может полностью заменить тёмную материю во всех аспектах стандартной космологии, но она предлагает новое направление для переосмысления фундаментальных законов.

"Моя работа открывает путь к пониманию явлений тёмной материи не как отсутствующих частиц, а как тонкой особенности самой гравитации — глубокого следствия зависимости от масштаба в квантовой теории поля гравитации", — заключил Кумар.