Международная группа ученых приблизилась к окончательному доказательству существования темной материи и опровержению альтернативных теорий гравитации. Свои выводы, основанные на наблюдении несколько сотен тысяч галактик, астрономы опубликовали в журнале Astronomy & Astrophysics. Будущие исследования должны поставить точку в том, что на самом деле порождает эффект скрытой массы, влияющей на движение звезд в галактиках.
Известно, что внешние области галактик вращаются быстрее, чем это можно ожидать из ньютоновской динамики видимого (барионного) вещества, составляющего звезды, планеты и газопылевые облака. Этот загадочный феномен объясняется существованием неизвестного источника гравитации, называемого темной материей. Наличие скрытой массы в галактиках подтверждается слабым гравитационным линзированием, барионными акустическими осцилляциями и космическим микроволновым фоном. Однако необнаружение частиц темной материи является одной из главных нерешенных проблем космологии, что оставляет место для альтернативных теорий гравитации, которые исключают скрытую массу из космологических моделей. Так, существование частиц темной материи не требуется в модифицированной ньютоновской динамике (MOND) и теории энтропийной (или эмерджентной) гравитации Эрика Верлинде.
Следствием любой из теорий альтернативной гравитации является то, что вклад предполагаемой темной материи должен очень тесно коррелировать со вкладом барионного вещества. Известно отношение радиального ускорения (RAR), которое описывает строгую зависимость между наблюдаемым гравитационным ускорением галактики — g(obs) — и тем, что ожидается от наблюдаемой барионной массы — g(bar). Однако RAR можно объяснить и в рамках стандартной космологической модели ΛCDM.
В новой работе ученые расширили наблюдения RAR до чрезвычайно низких радиальных ускорений, которые в настоящее время невозможно обнаружить с помощью кривых вращения галактик или любых других кинематических измерений. Для этой цели исследователи воспользовались слабым гравитационным линзированием от искривления пути света от галактики из-за гравитирующей массы другой галактики. Они определили кажущееся распределение плотности материи примерно в миллионе галактик до радиуса в три мегапарсека, что в сто раз больше, чем радиус видимого диска галактики (около 30 килопарсек). Это позволяет понять, что лучше описывает результаты — ΛCDM или альтернативные теории гравитации.
Ученые сравнили полученные RAR, измеренные по гравитационному линзированию 259 383 галактик, c прогнозами ΛCDM, MOND и теории эмерджентной гравитации. Оказалось, что соотношение между g(obs) и g(bar) хорошо согласуется с предсказаниями альтернативных теорий гравитации. Однако RAR ранних и поздних галактик значительно различаются между собой, что ожидается только в одной из моделей холодной темной материи ΛCDM, в которых RAR зависит от возраста галактик. Теория Верлинде и MOND предсказывают, что соотношение всегда фиксированное.
Тем не менее для альтернативных теорий гравитации остается лазейка: дело в том, что различия в RAR могут объясняться наличием в старых галактиках диффузного облака горячего газа, которое в рамках текущего исследования осталось незамеченным. Будущие космологические обзоры должны будут исключить эту неопределенность.