В новом интервью на YouTube-канале Event Horizon ведущий Джон Майкл Годье обсудил с физиками-теоретиками Кейт Браун и Харшем Матуром альтернативную теорию гравитации, способную перевернуть наше понимание космоса. Учёные предполагают, что аномальные орбиты транснептуновых объектов, которые обычно объясняют присутствием гипотетической Девятой планеты, могут быть результатом модифицированной ньютоновской динамики (MOND). Это исследование не только ставит под сомнение существование неуловимой планеты, но и предлагает новый взгляд на загадку тёмной материи.
🌌 Гравитационная аномалия на окраинах Солнечной системы 2:04
Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) традиционно рассматривается как гипотеза, описывающая процессы галактического масштаба. Однако Кейт Браун указывает на существование характерного пространственного масштаба, при котором эффекты MOND должны становиться заметными и внутри нашей системы.
По её расчётам, если учитывать исключительно массу Солнца, отклонения от ньютоновской гравитации начинают проявляться на расстоянии около 7000 астрономических единиц (а.е.). Учитывая, что 1 а.е. равна среднему расстоянию от Земли до Солнца (около 93 миллионов миль), эта граница пролегает в отдалённых областях пояса Койпера или во внешней части облака Оорта. Подобная дистанция, по мнению Кейт Браун, удивительно мала, что и побудило исследователей внимательнее изучить внешние рубежи Солнечной системы.
⚖️ Тёмная материя против MOND: история противостояния 4:28
Дискуссия вокруг структуры Вселенной уходит корнями в 1970-е годы, когда Вера Рубин и её коллеги обнаружили аномалии в кривых вращения спиральных галактик. Согласно законам Ньютона, звёзды на периферии галактики должны двигаться медленнее тех, что находятся ближе к центру, однако наблюдения показали, что их скорость выравнивается.
Для объяснения этого феномена была выдвинута гипотеза тёмной материи, предполагающая наличие невидимого вещества, масса которого примерно в пять раз превышает массу наблюдаемой материи. По словам Харша Матура, эта концепция отлично работает на космологических масштабах, объясняя эволюцию Вселенной от космического микроволнового фона до современных галактических структур. Физики элементарных частиц предлагают множество кандидатов на роль тёмной материи, наделённой особыми свойствами: она должна создавать гравитацию, но не отражать свет и беспрепятственно проходить сквозь нас.
Тем не менее, Харш Матур отмечает ключевую слабость доминирующей парадигмы: учёные ищут тёмную материю уже около 40 лет, но так и не обнаружили прямого сигнала. Это делает MOND наиболее интересной альтернативой. В рамках MOND утверждается, что при достаточном ослаблении гравитационных полей законы Ньютона перестают действовать и в силу вступает модифицированная гравитация.
📉 Новая шкала ускорения и проблемы масштабирования MOND 7:18
По мнению Кейт Браун, суть MOND заключается в постулировании фундаментальной шкалы ускорения, аналогичной фундаментальной скорости света в теории относительности Эйнштейна. Эта шкала составляет примерно $10^{-10} \text{ м/с}^2$, что на 10–11 порядков меньше ускорения свободного падения у поверхности Земли (около 10 $\text{м/с}^2$). Если объекты движутся с ускорением, значительно превышающим этот порог, поправками MOND можно пренебречь, но вблизи него классическая физика требует корректировки.
Однако MOND сталкивается со следующими трудностями:
- Локальный успех: теория идеально объясняет кривые вращения галактик, где тёмная материя испытывает сложности с воспроизведением точных деталей наблюдений.
- Космологический провал: MOND в её изначальном виде плохо работает на масштабах скоплений галактик и в космологии.
Харш Матур объясняет эти неудачи тем, что классическая MOND является нерелятивистской теорией, применимой только для медленно движущихся объектов, а её полная релятивистская версия до сих пор не разработана. В качестве примера компромиссного подхода Матур упомянул модели Джастина Хури из Пенсильванского университета, пытающиеся объединить элементы обеих концепций.
🌌 Проверка галактикой: как «покачивание» звёзд рассудит физиков 11:45
Изучение Млечного Пути изнутри сопряжено с трудностями, поэтому астрономы часто исследуют внешние галактики. Помимо вращения в плоскости диска, звёзды совершают вертикальные колебания — «покачиваются» вверх и вниз. По словам Харша Матура, MOND и тёмная материя дают принципиально разные прогнозы для этого процесса:
- В модели MOND: при попытке сместить звезду из диска гравитация остальной материи резко возвращает её обратно.
- В модели тёмной материи: галактика окружена огромным сферическим гало (модель Lambda CDM), поэтому видимый диск — лишь «лёгкая пена». Вертикальное возвращающее ускорение в этом случае выражено значительно слабее.
Современные данные для проверки этих гипотез предоставляет миссия Gaia Европейского космического агентства (ESA), измеряющая координаты и скорости рекордного числа объектов — буквально 1 миллиарда звёзд. Инструмент использует метод параллакса, основанный на геометрическом сдвиге близких звёзд на фоне далёких при движении Земли по орбите. Этот метод, известный тысячи лет, стал технологически доступен только в XIX веке, а Gaia расширила его применение на тысячи световых лет.
Тем не менее, Gaia измеряет только положения и скорости, но не ускорения. Чтобы получить вертикальное и radial-ускорения, исследователям приходится использовать математическое моделирование, что оставляет простор для дискуссий. Харш Матур упомянул недавнюю научную работу, авторы которой на основе данных Gaia заявили об отсутствии тёмной материи в Млечном Пути, однако это заявление было встречено экспертным сообществом с глубоким скептицизмом.
🪐 Эффект внешнего поля и загадка Девятой планеты 20:48
В рамках ньютоновской гравитации внешнее поле Млечного Пути не должно оказывать влияния на внутреннюю динамику Солнечной системы, поскольку все её объекты ускоряются в галактическом поле однородно. Однако в MOND существует так называемый эффект внешнего поля (EFE), из-за которого галактическое окружение способно корректировать движение тел на окраинах системы.
Кейт Браун и Харш Матур построили упрощённую модель, учитывающую только Солнце и галактический центр. Их расчёты показали, что галактический центр должен гравитационно выстраивать орбиты далеких транснептуновых объектов вдоль определённой оси. Выяснилось, что траектории тех самых шести объектов пояса Койпера, на основании которых изначально была предложена гипотеза Девятой планеты, при наложении на направление к галактическому центру демонстрируют чёткое выравнивание. По словам Кейт Браун, Млечный Путь буквально «притягивает» и выстраивает эти орбиты под себя.
Учёные называют себя агностиками и выделяют три возможных сценария развития событий:
- Наблюдательный сбой: выравнивание орбит окажется иллюзией, вызванной избирательностью наблюдений (наблюдательным эффектом).
- Открытие планеты: Девятая планета будет обнаружена в телескопы, что станет триумфом астрономии, но одновременно — вызовом для теории MOND.
- Подтверждение MOND: Девятую планету не найдут, а выравнивание подтвердится на примере сотен новых открытых объектов, что докажет применимость альтернативной гравитации.
Харш Матур добавляет, что обнаружение экстремальных объектов пояса Койпера ограничено возможностями техники: из-за вытянутых орбит мы видим их только в перигелии (на расстоянии 80–100 а.е.), тогда как в афелии они удаляются на 500–1000 а.е. и становятся невидимыми для телескопов. Кроме того, выравнивание может быть кажущимся из-за того, что астрономы чаще смотрят в области с более тёмным небом, направленные в противоположную от галактического центра сторону. Полную картину, по мнению авторов, смогут дать только новые широкоугольные обзоры неба.
🎨 Математический обман: как физики разоблачили «фракталы» Джексона Поллока 30:05
В ходе интервью исследователи поделились историей своего более раннего совместного проекта, осуществлённого в 2006 году и связанного с искусством. В то время в научном сообществе активно обсуждались выводы других исследователей, утверждавших, будто знаменитый художник Джексон Поллок неосознанно создавал в своих картинах фрактальные узоры. Предполагалось, что его хаотичные движения вокруг холста порождали уникальный математический почерк, который можно использовать для выявления подделок.
Кейт Браун, будучи на тот момент начинающей аспиранткой, решила детально изучить эти утверждения для научного семинара по астрофизике. В процессе анализа она обнаружила, что концепция фрактальной подписи Поллока полностью несостоятельна. Браун смогла воссоздать аналогичные «уникальные фрактальные характеристики» за несколько секунд в программе Adobe Photoshop, используя обычную компьютерную мышь без какого-либо хаотического движения.
Главная методологическая ошибка сторонников «фрактального Поллока», по словам Кейт Браун, заключалась в масштабе: диапазон величин, в котором на картинах Поллока можно было наблюдать подобие фрактального поведения, слишком мал для каких-либо надёжных математических выводов. Именно поэтому фрактальный анализ не может служить надёжным инструментом аутентификации полотен.
В качестве шутки и эксперимента Кейт Браун включила в их совместную статью детский рисунок звёзд под названием «Без названия №5» (Untitled five). По формальным фрактальным критериям предыдущих исследователей этот рисунок полностью соответствовал подлинному стилю Поллока. Харш Матур с гордостью отметил, что эта работа, критиковавшая статью в престижном журнале Nature, впоследствии сама попала на страницы Nature, разошлась по мировым газетам и была включена в учебники, положив начало их прочному 20-летнему научному сотрудничеству.
