Искаженные галактики бросают вызов теории гравитации
Международная группа астрономов недавно изучила галактики в Скопление Печи, чтобы проверить модель ΛCDM (или Lambda CDM) - стандартную модель, которая описывает Вселенную как однородную и изотропную, состоящую из обычной материи, темной материи и темной энергии - и модифицированную ньютоновскую динамику (или MOND), спорную альтернативу теории общей теории относительности. Они выявили возмущения в галактических скоплениях карликовых галактик, которые указывают на другую теорию гравитации.
Большинство астрономов считают, что таинственная темная материя, лежащая в основе ΛCDM-модели, является единственным способом объяснить некоторые явления, такие как масса и скорость галактик или просто их сцепление. Стандартная модель космологии предполагает, что большинство галактик окружено ореолом из частиц темной материи, способных оказывать сильное гравитационное притяжение на близлежащие объекты. Несмотря на десятилетия исследований, существование темной материи так и не было доказано, и были предложены различные альтернативные теории.
Одна из них - модифицированная теория ньютоновской динамики (или теория MOND). Чтобы проверить эти различные модели, группа астрономов рассмотрела карликовые галактики в скоплении Печи, расположенном на расстоянии около 62 миллионов световых лет от Земли. Карликовые галактики - это маленькие, слабые галактики, которые часто расположены в крупных галактиках или скоплениях галактик или рядом с ними. Из-за низкой поверхностной яркости они особенно чувствительны к приливным силам, создаваемым более массивными галактиками, что делает их идеальными объектами для проверки теорий гравитации.
"Мы представляем инновационный способ проверки стандартной модели, основанный на том, в какой степени карликовые галактики возмущаются "гравитационными приливами" крупных соседних галактик", — объясняет в пресс-релизе Елена Асенсио, докторант Боннского университета и первый автор исследования, сообщающего об открытии. Степень возмущения, ожидаемая для этих галактик, зависит от предполагаемого закона гравитации и наличия или отсутствия темной материи.
Наблюдения показывают, что многие карликовые галактики в скоплении претерпели значительную деформацию, как будто окружающая среда скопления нарушила их. Это полностью противоречит стандартной модели, поскольку в теории гало темной материи карликовых галактик должно частично защищать их от приливных сил, создаваемых окружающим галактическим скоплением.
Сначала команда исследовала ожидаемый уровень разрушения карликовых галактик: он может быть определен их внутренними свойствами и расстоянием от сильного гравитационного центра скопления. Например, крупные галактики с низкой звездной массой, а также галактики, расположенные близко к центру скопления, легче разрушаются или даже уничтожаются. Исследователи сравнили свои результаты с масштабами возмущений, наблюдаемых на снимках, сделанных Очень большим телескопом Европейской южной обсерватории. Здесь и возникло несоответствие.
"Сравнение показало, что если мы хотим объяснить наблюдения стандартной моделью, то карлики в скоплении Печь уже должны быть уничтожены гравитацией центра скопления, даже если приливы, которые он вызывает у карликовой галактики, в 64 раза слабее, чем гравитация самого карликовой галактики!" - объясняет Елена Асенсио. Ученый отмечает, что этот вывод не только контринтуитивен, но и противоречит нескольким исследованиям, которые показали, что внешняя сила, необходимая для разрушения карликовой галактики, примерно эквивалентна ее собственной гравитации.
Если у этих карликовых галактик нет ореола из темной материи, то как они появились? И прежде всего, как они могли противостоять окружающим силам притяжения? Поскольку стандартная модель не подходит для объяснения наблюдаемого явления, команда решила применить другую теорию, теорию MOND, которая основана на модификации второго закона Ньютона (который связывает массу объекта с ускорением, которое он получает, когда к нему прикладываются силы). Он исключает наличие ореолов темной материи, но предлагает поправку, согласно которой гравитация "усиливается" при очень низких ускорениях.
Эта модель оказалась гораздо более последовательной. "Наши результаты показывают замечательное согласие между наблюдениями и ожиданиями MOND для уровня возмущения карликовых галактик скопления Печи", — сказал доктор Индранил Баник, исследователь из Университета Сент-Эндрюс и соавтор .
Команда отмечает, что это не первый случай, когда исследование, проверяющее влияние темной материи на динамику и эволюцию галактик, бросает вызов теории. "Количество публикаций, показывающих несовместимость наблюдений и парадигмы темной материи, растет с каждым годом. Пришло время начать вкладывать больше ресурсов в более перспективные теории", — говорит доктор Павел Крупа, возглавляющий исследовательскую группу "Звездные популяции и звездная динамика" в Боннском университете.
Эти результаты, очевидно, имеют серьезные последствия для фундаментальной физики. Команда продолжает свои исследования и ожидает найти другие сильно возмущенные карликовые галактики в других скоплениях галактик, приглашая другие исследовательские группы к изучению этого направления.