Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя - Владимир Анатольевич Моисеев

https://naked-science.ru/article/astronomy/temnaya-materiya-mozhet-byt-sledstviem

Журнал Annals of Physics и препринт в arXiv.org.

Нил Турок (Neil Turok), Манчестерский университет (Великобритания).

https://arxiv.org/abs/1803.08930

Часть 11-20

Теория MOND

Содержание

11-20-1. Модифицированная ньютоновская динамика

11-20-2. Теория MOND

11-20-3. Мордехай (Моти) Милгром

11-20-4. Соответствие с наблюдениями

11-20-5. Дискуссии и критика

11-20-6. Скаляр-тензор-векторная теория гравитации

11-20-7. Ученые моделируют формирование галактик без темной материи

11-20-8. Павел Крупа

11-20-9. Уникальный прогноз «модифицированной гравитации» бросает вызов темной материи

11-20-10. Новое исследование вращения галактик подтверждает гипотезу MoND

11-20-11. Физики призвали «закрыть» темную материю

11-20-12. Наша Галактика оказалась экстраординарно бедной

11-20-13. Аномалии в движении двойных звезд «нарушают» принятую теорию гравитации

11-20-14. Альтернатива темной материи не выдержала проверку Сатурном

Глава 11-20-1

Модифицированная ньютоновская динамика  

Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) — физическая гипотеза, альтернативная теория гравитации, предлагающая изменение в законе тяготения Ньютона, объясняющее вращение галактик без привлечения тёмной материи. Тёмная материя была придумана для объяснения постоянной скорости обращения внешних частей галактик. Это было неожиданно, так как ньютоновская теория гравитации предсказывает, что чем дальше объект от центра, тем меньше его скорость (например, у планет Солнечной системы скорость убывает с увеличением расстояния до Солнца).

               MOND была предложена Мордехаем Милгромом в 1983 году для того, чтобы смоделировать наблюдаемые постоянные скорости вращения. Милгром заметил, что ньютоновская сила гравитации подтверждена только для относительно больших ускорений, и предположил, что для малых ускорений Закон всемирного тяготения может не работать. MOND устанавливает, что ускорение зависит нелинейно от создающей его массы для малых ускорений.

MOND стоит особняком от широко распространённых и практически общепринятых теорий тёмной материи (которые предполагают наличие в каждой галактике ещё не определённого типа материи, что обеспечивает распределение массы, отличное от наблюдаемого для обычного вещества; эта «тёмная материя» концентрируется в так называемые гало, намного бо́льшие, чем видимые части галактик, и своим гравитационным притяжением обеспечивает почти постоянную скорость вращения внешних видимых частей галактик).

               Астрофизик Кю-Хюн Чае (2023) из Университета Седжонг в Сеуле провёл исследование, анализируя 26 500 "широких" двойных звёздных систем в радиусе 650 световых лет от Земли. Его вычисления показали, что ускорение, при котором пары двойных звёзд реально вращаются вокруг общего центра масс, не соответствует прогнозам, основанным на уравнениях Ньютона и Эйнштейна, если оно составляет менее 1 нм/с². Если ускорение ещё меньше - менее 0,1 нм/с² - то в широких двойных звёздных системах наблюдается ускорение, превышающее "классическое" значение на 30-40%. Аналогичные аномалии видны и при изучении кривой вращения. Однако в случае относительно небольших двойных звёздных систем тёмная материя не является объяснением (на таком масштабе тёмная материя не может играть роль), что может подвергнуть сомнению необходимость в существовании тёмной материи для объяснения ускорения на галактическом уровне. Таким образом мы можем стоять на пороге изменения нашего представления о Вселенной.

Глава 11-20-2

Теория MOND  

В 1983 году Мордехай Милгром, физик из Вейцмановского Института в Израиле, опубликовал три статьи в «The Astrophysical Journal» с предложением внести изменения в закон всемирного тяготения Ньютона. На самом деле Милгром предоставил несколько интерпретаций его предложению, одна из них является модификацией второго закона Ньютона. Однако, это предлагаемое толкование противоречит закону сохранения импульса и требует некоторых нетрадиционных физических допущений. Вторая интерпретация — изменение закона гравитации, требует, чтобы ускорение за счёт силы тяжести зависело не просто от массы, а от массы умноженной на некоторую функцию,  аргумент которой есть ускорение, деленное на некую константу примерно равную  м/с². Эта функция стремится к единице при больших значениях гравитационного ускорения и отличается для малых аргументов. Центростремительное ускорение звёзд и газовых облаков на окраине спиральных галактик, как правило, будет ниже  значения это функции.

               Точная форма функции  в статьях не указана, указано только её поведение, когда аргумент  является малым или большим. Как Милгром доказал в своих статьях, форма  не меняет большинство следствий из теории, таких как выравнивание кривых вращения галактик.

               В повседневном мире гравитационное ускорение гораздо больше  для всех физических эффектов, поэтому коэффициент практически равен единице и, следовательно, можно с большой степенью точности предполагать справедливость закона всемирного тяготения Ньютона (или второго закона Ньютона). Изменения в законе всемирного тяготения Ньютона являются незначительными, и Ньютон не мог их видеть.

               Согласно теории MOND скорость звёзд на круговых орбитах далеко от центра является постоянной и не зависит от расстояния, то есть кривая вращения является пологой.

               Чтобы объяснить значение этой константы, Милгром сказал: «…Это приблизительно то ускорение, которое нужно объекту, чтобы разогнаться от состояния покоя до скорости света за время существования Вселенной. Также оно близко к недавно обнаруженному ускорению Вселенной».

               Тем не менее, воздействие от предполагаемого значения  на физические процессы на Земле остаётся в силе. Если бы  было больше, последствия этого были бы видны на Земле, и, поскольку это не так, новая теория была бы противоречивой.

Глава 11-20-3

Мордехай (Моти) Милгром   

Мордехай (Моти) Милгром (англ. Mordehai Milgrom, род. 1946) — израильский физик, профессор кафедры физики элементарных частиц и астрофизики в Институте Вейцмана (Реховот, Израиль). Известен своей теорией «модифицированной ньютоновской динамики» (англ. Modified Newtonian dynamics, MOND), которая позволяет объяснить аномальное движение галактических объектов, не прибегая к гипотезе о тёмной материи.

Рис. Мордехай (Моти) Милгром

               Родился в городе Яссы, Румыния, ещё ребёнком эмигрировал с семьёй в Израиль. В 1966 году получил степень бакалавра в Еврейском университете. Позже учился в Институте Вейцмана, защитил там докторскую степень в 1972 году.

               Преподаёт в Институте Вейцмана по настоящее время. В период 1980—1981 и 1985—1986 годов работал в Институте перспективных исследований в Принстоне. Женат, имеет трёх дочерей.

               В 1981 году. Милгром высказал идею о том, что второй закон Ньютона должен быть модифицирован для малых ускорений. В 1983 году, развивая эту идею, опубликовал теорию «модифицированной ньютоновской динамики».

Глава 11-20-4

Соответствие с наблюдениями  

В соответствии с теорией модифицированной ньютоновской динамики каждый физический процесс, который включает малые ускорения, будет иметь результат, отличающийся от простого закона Ньютона. Таким образом,