Новая теория впервые предполагает, что гравитация может существовать во Вселенной даже в отсутствие массы. Согласно этой теории, «избыточная гравитация», необходимая для скопления галактик, обусловлена топологическими дефектами в форме оболочки, распределенными по всей Вселенной. Это потенциально может уменьшить или даже устранить «потребность» в темной материи.
Темная материя, вероятно, одна из самых запутанных концепций в наших теоретических моделях, представляет собой гипотетическую форму материи, на которую, как считается, приходится 85 % общей массы Вселенной. Поскольку она не взаимодействует со светом, о присутствии этой невидимой материи можно судить только по ее влиянию на галактики и скопления галактик. В частности, скопление галактик не может быть объяснено общей относительностью Эйнштейна, если только не существует значительного избытка массы, не обнаруживаемого нашими приборами.
Впервые предложенная в 1932 году голландским астрономом Яном Оортом, эта «недостающая масса» заставила физиков усомниться в самой природе гравитации. На самом деле, несмотря на продолжающиеся исследования, ее до сих пор не удалось наблюдать напрямую. Это привело к появлению ряда альтернативных теорий гравитации, которые допускают наличие значительно меньшего количества материи, чем требуется ньютоновской гравитацией (и общей теорией относительности) для создания интенсивности гравитационного поля, которое мы наблюдаем. Новая гипотеза Ричарда Льеу, ведущего физика из Университета Алабамы в Хантсвилле (UAH), дополняет эти теории, утверждая, что гравитация может существовать даже в отсутствие массы.
"Меня самого вдохновили поиски альтернативного решения уравнений гравитационного поля общей теории относительности, которое дает конечную гравитационную силу в отсутствие какой-либо обнаруживаемой массы", — объясняет он в пресс-релизе.
Таким образом, эта теория уменьшит (или даже исключит) потребность в темной материи для объяснения кажущегося избытка массы во Вселенной.
"Эта инициатива, в свою очередь, продиктована моим разочарованием в существующем положении вещей, а именно представлением о существовании темной материи, несмотря на отсутствие каких-либо прямых доказательств в течение столетия", — добавляет он.
Его выводы подробно изложены в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Согласно общей теории относительности, гравитация — это деформация пространства-времени, вызванная наличием массы и энергии. Чем массивнее объект, тем сильнее его гравитационное влияние на другие, менее массивные объекты. Однако исследования и наблюдения показали, что все объекты, с массой или без, взаимодействуют друг с другом. Одно из исследований, например, показало, что даже безмассовые фотоны могут испытывать влияние гравитации.
Новая гипотеза, предложенная Льеу, предполагает, что избыточная гравитация, необходимая галактикам для сцепления друг с другом, обусловлена наличием концентрических наборов топологических дефектов в форме оболочки. Они могли возникнуть в ранней Вселенной во время фазового перехода — процесса, в ходе которого общее состояние материи меняется во всем космосе. "Мы пока не знаем, какая именно форма фазового перехода во Вселенной могла привести к появлению топологических дефектов такого типа", — поясняет эксперт.
По мнению исследователя, это будут очень компактные области, содержащие очень высокую плотность материи. Они могут быть как линейными, так и иметь форму сферической оболочки. Точнее, внутренняя часть этих оболочек будет состоять из тонкого слоя положительной массы, а внешняя — из отрицательной. Таким образом, общая измеряемая масса будет равна нулю, поскольку внутренняя и внешняя массы уравновешивают друг друга. Однако, когда звезда или галактика окажется на поверхности этих структур, она будет притягиваться к их центру гравитационной силой.
"Гравитационное изгибание света набором концентрических оболочек, составляющих галактику или скопление, связано с тем, что луч света при прохождении через них слегка отклоняется внутрь, то есть к центру крупномасштабной структуры или набора оболочек", — объясняет физик.
Эффектом этого прохождения было бы измеримое и аналогичное отклонение гравитационной силы, оказываемой материей, количество которой намного больше, чем у видимой материи (как и у темной). Это также означает, что отклонение света и орбитальная скорость звезд и галактик были бы единственными средствами измерения силы гравитационного поля в крупномасштабной структуре.
"Утверждение моей статьи состоит в том, что, по крайней мере, оболочки безмассовые. Тогда нет необходимости в бесконечных поисках темной материи", — считает Лью.
Однако важно отметить, что остаются вопросы относительно связности теории, не говоря уже о том, что для ее подтверждения необходимы наблюдения. Например, в ней не рассматривается точный процесс, лежащий в основе формирования оболочечных структур и их эволюции. С другой стороны, способ формирования галактик и скоплений путем их выравнивания также нуждается в более глубоком изучении.
"Конечно, наличие второго решения, каким бы наводящим оно ни было, само по себе не является достаточным для дискредитации гипотезы о темной материи - в лучшем случае это может быть интересным математическим упражнением", — говорит эксперт. Тем не менее "это первое доказательство того, что гравитация может существовать без массы", утверждает он.