Искривление дисков галактик указало на «пятую силу» с радиусом порядка двух мегапарсек

H. Desmond et al. / Physical Review D

Астрофизики из Германии, Франции и США исследовали искривление звездных дисков четырех тысяч галактик из каталога NASA-Sloan Atlas и показала, что его можно объяснить с помощью «пятой силы», радиус экранирования которой составляет около двух мегапарсек, а напряженность (поправка к гравитационной постоянной) ΔG/G ≈ 0,025. Статистическая значимость этого открытия составляет примерно 7 сигма, хотя ученые не исключают, что его можно списать на менее экзотические эффекты. Статья опубликована в Physical Review D, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Практически все явления, связанные с гравитационным взаимодействием, — например, вращение планет вокруг Солнца, гравитационный коллапс звезды или гравитационные волны — можно объяснить с помощью Общей теории относительности (ОТО), разработанной Альбертом Эйнштейном в начале XX века. В этой теории притяжение между массивными телами возникает из-за искривления пространства-времени. На больших масштабах, сравнимых с расстоянием между соседними звездами (порядка нескольких парсек) величина этого искривления очень мала, а потому уравнения ОТО значительно упрощаются и сводятся к закону всемирного тяготения Ньютона. Большинство компьютерных программ, которые численно рассчитывают эволюцию галактик и других крупномасштабных объектов, используют именно это уравнение, а не полные законы ОТО. Более подробно про Общую теорию относительности можно прочитать в материалах «Это только теория», «Вчера наступило завтра» и «На край Вселенной».

К сожалению, ОТО все-таки не всесильна. В частности, она «ломается» при большой кривизне пространства-времени — например, вблизи сингулярности черной дыры — и не может объяснить, откуда берется темная материя и темная энергия. Чтобы решить эти проблемы, физики вводят в теорию новые поля, которые нарушают законы сохранения ОТО (например, лоренц-инвариантность) и проявляют себя через действие некоторой «пятой силы». Поскольку законы ОТО с очень высокой точностью выполняются на масштабах Солнечной системы, напряженность такой силы должна быть маленькой, а радиус их действия — большим. Поэтому «пятую силу» можно интерпретировать как поправку к ньютоновскому гравитационному потенциалу: Φ = −GM/r — ΔGM/er, где G — это постоянная Ньютона, M — масса гравитирующего тела, r — расстояние до него, а параметры ΔG и λ описывают относительную напряженность и радиус экранирования «пятой силы». Чем меньше масса частиц-переносчиков новой силы, тем больше радиус экранирования (λ ~ 1/m), и тем слабее сила спадает с расстоянием. В случае, когда частицы совсем не имеют массы, радиус стремится к бесконечности, как в случае электромагнитного взаимодействия, переносчиками которого выступают фотоны.

В настоящее время ученые наложили довольно строгие экспериментальные ограничения на параметры ΔG и λ. В частности, марте этого года физики из США и Японии с помощью рассеяния нейтронов подтвердили, что закон Ньютона хорошо работает вплоть до расстояний порядка λ > 0,1 нанометра. Аналогичные ограничения были установлены и для очень больших масштабов: в сентябре этого года группа ученых под руководством Йенса Яше (Jens Jasche) проанализировала отклонения между центрами излучения звезд и молекулярного водорода отдельных галактик и показала, что отношение ΔG/G не превышает 10−4 для расстояний прядка 50 мегапарсек. В то же время, исследователи обнаружили, что на расстоянии порядка двух мегапарсек, сравнимом с размерами крупных галактик, отношение ΔG/G ≈ 0,025 с достоверностью около 7 сигма, то есть с вероятностью ошибки менее 10−10. Этот результат может указывать на то, что «пятая сила» действительно существует, хотя масса ее переносчиков и напряженность очень мала.

Поэтому группа Йенса Яше решила перепроверить этот результат независимым способом. Для этого ученые исследовали кажущиеся деформации звездных дисков галактик из каталога NASA-Sloan Atlas. В настоящее время астрофизики плохо понимают, какие эффекты приводят к таким деформациям — в частности, предполагается, что они могут быть связаны с приливными взаимодействиями или межгалактическими магнитными полями. «Пятая сила» тоже может исказить изображение, если радиус ее действия достаточно большой, чтобы экранировать звездный диск, но недостаточно большой, чтобы повлиять на динамику галактики в целом. В этом случае звездный диск будет отставать от центра галактического гало, а «пятая сила» будет деформировать его до чашеобразной формы.


Чтобы заметить такие искажения, ученые теоретически рассчитали красное смещение звезд z, которые находятся на разных расстояниях x от центра галактики, учитывая влияние «пятой силы» с произвольным радиусом λ и напряженностью ΔG. Затем ученые выбирали пробную галактику из каталога NASA-Sloan Atlas и сравнивали наблюдаемое и расчетное распределение z(x), подбирая параметры ΔG и λ так, чтобы распределения как можно лучше совпадали. Всего исследователи рассмотрели 4200 галактик, удаленных от Земли на среднее расстояние около 76 мегапарсек и имеющих массу более миллиарда масс Солнца. Сравнивая распределения с помощью байесовского анализа, ученые рассчитали наиболее вероятные значения ΔG и λ, которые хорошо объясняют наблюдаемые данные. В результате оказалось, что со статистической значимостью около 7 сигма значение ΔG отлично от нуля на масштабах порядка λ ~ 1,8 мегапарсек, причем наиболее вероятно значение ΔG/G ~ 0,025.


Этот результат отлично согласуется с результатами предыдущих измерений, хотя и получен принципиально другим способом. Впрочем, авторы статьи отмечают, что они не могут исключить гипотезу, которая объясняет деформацию звездных дисков полностью в рамках модели ΛCDM.

В настоящее время существует множество теорий, в которых лоренц-инвариантность уравнений движения нарушается за счет «пятой силы» с маленькой напряженностью и большим радиусом действия. В частности, к таким теориям относятся хамелеонная, симметронная и шмелевая гравитация. В мае этого года мы писали, как бразильские физики оценили напряженность шмелевого поля, рассматривая классические эффекты ОТО — прецессию перигелия планет, отклонение света в окрестности Солнца и эффект Шапиро. В результате ученые не нашли никаких отклонений от предсказаний ОТО, что накладывает довольно строгие ограничения на напреженность поля в Солнечной системе (соответствующий безразмерный параметр L < 10−13). А в декабре прошлого года американские физики-теоретики рассмотрели симметронную гравитацию и показали, что в некоторых случаях в ней работают простые электростатические аналогии — например, метод изображений, — которые позволяют существенно упростить расчеты.

В ноябре прошлого года американский физик Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl) показал, что с помощью «пятой силы» можно объяснить неудачи наземных детекторов, которые до сих пор не смогли зарегистрировать ни одной частицы темной материи. Расчеты ученого показывают, что такие поиски будут заведомо обречены на провал, если радиус действия «пятой силы» превышает радиус Земли — этом случае «темные» частицы будут попросту отталкиваться от планеты, и поймать их получится только с помощью космических детекторов, удаленных от больших масс обычной материи. Оценки, полученные группой Яше, не противоречат этому требованию.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.