Я смотрел этот эпизод Новы о сверхмассивных черных дырах и узнал, что скорость, с которой внешние звезды вращаются вокруг галактики, соответствует размеру черной дыры в центре галактики. Они также упоминают, что гравитация черных дыр в центрах галактик не могла оказывать никакого гравитационного влияния на эти далекие звезды. В то же время я знаю, что причина, по которой ученые считают, что внешние звезды вращаются с такой скоростью, связана с темной материей. Итак, возможно ли, что черные дыры в частности и гравитация в целом по-разному взаимодействуют с темной материей?
Я знаю, что темная материя, как полагают, состоит из неизвестных частиц. Однако я никогда не слышал теории о том, что эти частицы иначе взаимодействуют с другими частицами/силами. Объяснения, которые мне дали о том, как темная материя делает то, что она делает, сводятся к тому, что она более многочисленна и массивна, чем обычная материя. При таком возможном сценарии мне интересно, не является ли причина того, что темная материя кажется настолько более распространенной, просто потому, что она взаимодействует и ведет себя иначе, чем обычная материя. И, если это возможно, потребуется ли темной материи другая сила и носитель силы?
Как и большинство предложений, это, конечно, возможно; в физике мы должны в конечном счете проверять предложения экспериментально. А пока ( т.е. в данном случае в ожидании экспериментального наблюдения и изучения темной материи здесь, на Земле) нужно прибегнуть к оценке правдоподобия в свете того, что мы уже знаем.
Есть два способа, которыми ваше предложение, если оно верно, может соответствовать современной физике:
Если вы предполагаете, что гравитация будет действовать по-другому, то это нарушит принцип слабой эквивалентности, поскольку темная материя и «нормальная» материя падают по-разному в эксперименте Галилея с Пизанской башней. Таким образом, ваше предложение, являющееся немалым побочным продуктом, фальсифицирует общую теорию относительности до самых ее основ. Гравитационная масса темной материи будет отличаться от ее инерционной массы, гравитация будет зависеть от состава и, таким образом, будет гораздо больше похожа на три другие фундаментальные силы (которые действуют на зависящую от состава силу связи, т.е. «заряд» рассматриваемого актора ) и простую полностью геометрическую картину Эйнштейна было бы гораздо труднее поддерживать;
В качестве альтернативы вы повышаете вероятность существования другого носителя силы между черными дырами и темной материей. По сути, вы предлагаете что-то отдельное от гравитации: то есть вы предлагаете пятую фундаментальную силу;
Напротив, обычно обсуждаются две парадигмы объяснения:
Предложение о темной материи обычно выдвигается как объяснение формы кривой вращения галактики, которая согласуется с общей теорией относительности (и ньютоновской теорией в качестве приближения);
С другой стороны, некоторые теоретики исследуют альтернативные теории гравитации, такие как MOND (модифицированная ньютоновская динамика) и ее релятивистские аналоги, такие как TeVeS (тензорно-векторно-скалярная гравитация) .
Ваше предложение идет дальше любого из вышеперечисленных: оно говорит о том, что там есть что-то невидимое и оно либо нарушает известные законы гравитации, либо призывает новую силу. Следовательно, это более сложное предложение. Бритва Оккама и ограниченные ресурсы для физических исследований, казалось бы, предполагают, что мы должны изучить две более простые альтернативы, указанные выше, и исключить их, прежде чем переходить к вашей первой!
Ответ Рода Вэнса объясняет, почему предложенное вами объяснение многим кажется маловероятным. Я хотел бы объяснить, что на самом деле показывают наблюдения, на которые вы намекаете.
Корреляция между массой черной дыры и звездными скоростями известна как отношение М-сигма . Во-первых, обратите внимание, что в нем не участвуют внешние звезды галактики. Хотя верно то, что внешние звезды (и действительно движение газа за ними) многое говорят нам о распределении темной материи, это отдельная тема. Корреляция со звездами центральной выпуклости. Даже в спиральных галактиках центральные звезды не вращаются по орбите упорядоченно — они летят во всех направлениях.
Сигма ( ) — символ, используемый для дисперсии скоростей. Представьте себе группу звезд, беспорядочно движущихся в скоплении (или представьте, что вокруг снуют комары). Возможно, они не все движутся с одинаковой скоростью (то есть звезды; я не знаю о комарах). Если вы начертите распределение скоростей, оно будет иметь некоторую ширину, и мы называем это .
Фактически, довольно легко измерить, даже если вы не можете видеть отдельные звезды, и это одна из причин, по которой он используется. Каждая звезда отпечатывает определенные узкие линии в спектре излучаемого света. Однако, если звезды движутся с разными скоростями, эти особенности будут смещены в сторону красного и синего для нас в зависимости от того, насколько быстро каждая звезда удаляется от нас или приближается к нам в данный момент. Результатом, с нашей точки зрения, является измеримое доплеровское расширение линий. Хотя технически это говорит нам только о дисперсии скоростей вдоль нашей линии наблюдения, оправданное предположение об изотропии/сферической симметрии (скопление звезд не имеет предпочтительного угла наблюдения) может подтолкнуть нас к трехмерной дисперсии скоростей.
Теперь на дисперсию скоростей может влиять или коррелировать с рядом вещей. В частности, если звезд больше, вы ожидаете, что в центральной области будут большие скорости. Это результат теоремы вириала : если звезды находятся в термодинамическом равновесии, их кинетическая энергия пропорциональна гравитационной потенциальной энергии скопления.
В каком-то смысле нет ничего удивительного в том, что это отношение существует. Ожидается, что центры галактик с большей массой содержат более крупные черные дыры ( ) и в то же время имеют более высокие дисперсии скоростей ( ). Нам не нужно, чтобы звезды действительно вращались вокруг черной дыры, и действительно, даже внутри выпуклости черная дыра не доминирует над гравитационным потенциалом.
Ашер