Тёмная материя — один из самых упрямых «призраков» современной физики. Она якобы составляет около 85 % всей материи Вселенной, но при этом совершенно не взаимодействует со светом и до сих пор не обнаружена напрямую ни в одном эксперименте. Теперь индийский физик Наман Кумар из Индийского технологического института предлагает радикальную альтернативу: возможно, никакой тёмной материи нет, а все её эффекты объясняются тем, что гравитация на очень больших масштабах ведёт себя не так, как мы привыкли думать.

Почему мы вообще придумали тёмную материю

Всё началось с наблюдений за вращением галактик. Звёзды на окраинах вращаются слишком быстро: если бы гравитацию создавала только видимая материя (звёзды, газ, пыль), внешние области давно бы разлетелись. То же самое показывают гравитационные линзы — свет от далёких объектов искривляется сильнее, чем можно объяснить видимой массой. Вывод, к которому пришли астрономы: вокруг галактик существуют огромные невидимые гало из тёмной материи.

Но за десятилетия поисков частиц тёмной материи (WIMP, аксионы и другие кандидаты) ничего не нашли. Ни в подземных детекторах, ни на Большом адронном коллайдере.

Новая идея: гравитация «бежит» на больших масштабах

Наман Кумар подошёл к проблеме с точки зрения квантовой теории поля. Он применил так называемую «инфракрасную схему бега» (infrared running scheme) к гравитационной постоянной G — той самой «большой G» Ньютона.

Обычно считается, что G постоянна на всех масштабах. Но в квантовой теории поля константы взаимодействия могут «бежать» (меняться) в зависимости от энергии или расстояния. Кумар рассмотрел поведение гравитации на масштабах, сравнимых с длиной волны инфракрасного света и выше — то есть на галактических и межгалактических расстояниях.

Результат: потенциал гравитации перестаёт строго подчиняться закону обратных квадратов (1/r²). Вместо этого на очень больших расстояниях появляется компонента с силой 1/r — гораздо более дальнодействующая.

«Что получилось — убедительный теоретический сценарий, при котором эффективная сила гравитации слегка меняется на галактических расстояниях», — пишет Кумар в статье для Phys.org.

Такая модификация позволяет объяснить плоские кривые вращения галактик (когда скорость звёзд не падает с расстоянием от центра) без привлечения дополнительной невидимой массы.

Совместимо ли это с наблюдениями ранней Вселенной?

Критический момент: любые изменения гравитации не должны противоречить данным о реликтовом излучении (CMB) и формировании крупномасштабной структуры Вселенной. Кумар утверждает, что в его модели поправки к гравитации растут медленно с увеличением масштаба и времени. На эпохах ранней Вселенной (реликтовое излучение, первые структуры) они минимальны и не противоречат наблюдениям. А вот на поздних стадиях и больших масштабах эффект становится заметным — именно там, где мы видим «тёмную материю».

Что дальше и почему это важно

Модель Кумара пока не заменяет тёмную материю полностью — она не объясняет все детали формирования структур и данных по гравитационным линзам. Но автор подчёркивает: «Моя работа открывает путь к пониманию явлений тёмной материи не как недостающих частиц, а как тонкой особенности самой гравитации — глубокого следствия зависимости от масштаба в квантовой теории поля гравитации».

«Хотя этот подход пока не полностью заменяет тёмную материю в стандартной космологической модели — особенно в объяснении детального формирования структур и данных по линзированию — он подчёркивает возможную скрытую сложность гравитации и приглашает переоценить, откуда берутся эффекты тёмной материи».

Исследование опубликовано в журнале Physics Letters B.

Вкратце

Физик Наман Кумар предлагает: тёмной материи может и не существовать. Её эффекты (быстрое вращение галактик, сильные гравитационные линзы) можно объяснить, если гравитация на галактических масштабах слегка меняет характер — из закона 1/r² переходит в более дальнодействующий 1/r за счёт «бега» константы G в квантовой теории поля. Модель согласуется с данными ранней Вселенной и не требует новых частиц. Полной заменой CDM она пока не является, но открывает альтернативный взгляд на одну из главных загадок космологии.