Наблюдения за звездными скоплениями ставят под сомнение существование темной материи
Международная группа астрофизиков сделала удивительное открытие, проанализировав некоторые звездные скопления. Оказалось, что эти звездные скопления имеют неожиданную асимметрию в распределении звезд, и это больше соответствует теории модифицированной ньютоновской динамики (MOND) - которая появляется как альтернатива концепции темной материи - чем общепринятой теории гравитации.
Новое основано на так называемых "открытых" звездных скоплениях - скоплениях размером в среднем 4-5 парсек, содержащих от нескольких десятков до нескольких тысяч звезд. Эти тысячи звезд рождаются за короткое время в огромном облаке газа и связываются гравитационными силами. Такие звездные скопления обычно существуют всего несколько сотен миллионов лет, прежде чем распасться: одни звезды движутся медленнее, другие быстрее, чем скопление в целом, унося с собой часть облака газа и пыли.
Образуются два "приливных хвоста". Один из этих хвостов тянется за кластером по мере его перемещения в пространстве, а другой - вперед. Законы гравитации Ньютона предсказывают, что вероятность нахождения звезды в переднем хвосте не меньше, чем в заднем, поэтому теоретически оба хвоста должны содержать почти одинаковое количество звезд. Однако, наблюдая пять известных открытых скоплений (Гиады, Ясли, Волосы Береники, COIN-Gaia 13 и NGC 752), исследователи обнаружили, что это не так.
Моделирование в полном согласии с наблюдениями
"В изученных нами скоплениях передний хвост всегда содержит гораздо больше звезд, расположенных вблизи скопления, чем задний хвост", — объясняет доктор Ян Пфламм-Альтенбург из Института радиационной защиты и ядерной физики имени Гельмгольца. Не особенно легко определить, какие звезды принадлежат к хвостам скопления, когда скопление окружено миллионами звезд; для этого необходимо оценить скорость, направление движения и возраст каждого объекта.
Доктор Тереза Джерабкова, астроном из Европейской южной обсерватории и соавтор исследования, разработала метод - метод Джерабковой - компактной конвергентной точки (CCP) - для точного подсчета звезд в приливных хвостах. Используя данные, собранные спутником Gaia Европейского космического агентства, она и ее коллеги смогли составить карту хвостов четырех близлежащих открытых скоплений, возраст которых варьируется от 600 до 2000 миллионов лет. Они обнаружили, что ведущие хвосты содержат больше звезд, чем отстающие хвосты, по крайней мере, в пределах 150 световых лет от центра скопления.
Проведя серию компьютерных симуляций, команда обнаружила, что эта асимметрия полностью соответствует предсказаниям модифицированной теории ньютоновской динамики (или теории MOND). "Проще говоря, согласно MOND, звезды могут покинуть кластер через две разные двери. Одна ведет к заднему приливному хвосту, другая - к переднему. Однако первая намного уже, чем вторая, поэтому менее вероятно, что звезда покинет скопление через эти ворота. Теория гравитации Ньютона, с другой стороны, предсказывает, что оба ворота должны быть одинаковой ширины", — объясняет профессор Павел Крупа из Института радиационной и ядерной физики имени Гельмгольца при Боннском университете.
Объяснение короткого времени жизни открытых скоплений
Моделирование не только полностью совпало с наблюдаемым распределением звезд, но и дало объяснение другому явлению: они определили, что время жизни открытых звездных скоплений значительно короче (на 20-50%), чем можно было бы ожидать в соответствии с законами Ньютона. "Это объясняет давно известную загадку. А именно, что звездные скопления в близлежащих галактиках, похоже, исчезают быстрее, чем должны", — говорит Крупа.
Многие звезды и галактики движутся слишком быстро для своей массы, поэтому еще в 1930-х годах ученые выдвинули гипотезу, что причиной этого явления может быть огромное количество невидимой материи, которую сейчас называют темной материей. Хотя прямых доказательств, подтверждающих ее существование, пока не найдено, темная материя по-прежнему является широко признанной теорией.
Теория MOND была предложена в начале 1980-х годов в качестве альтернативы концепции темной материи для объяснения того, почему галактики не подчиняются общепринятым законам физики. Он основан на модификации закона Ньютона о всеобщем тяготении при крайне низких ускорениях - он предсказывает, что эффект гравитации при таких ускорениях сильнее, чем это следует из законов Ньютона. Если это правда, то это, очевидно, будет иметь далеко идущие последствия для других областей физики; по словам Крупы, нам придется полностью "заново изобрести консомологию". Вот почему потребуются дополнительные доказательства.
Теория MOND все еще вызывает много споров, но сейчас команда изучает новые математические методы для еще более точного моделирования. Затем их можно применить к другим наблюдениям и, возможно, получить дополнительные доказательства в пользу этой альтернативной теории.