Что есть гравитация без массы? И революционные законы Ньютона, описывающие её универсальный эффект, и предложение Эйнштейна о пространственно-временной яме — мы всегда считали, что гравитация относится исключительно к области материи.
Теперь же новое необычное исследование предполагает, что гравитация может существовать без массы, что избавляет от необходимости в одной из самых неуловимых субстанций в нашей Вселенной — тёмной материи. Исследование было опубликовано в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Тёмная материя — это гипотетическая, невидимая масса, которая, как считается, составляет 85% от общего объёма Вселенной. Изначально она была придумана для того, чтобы объяснить, как галактики удерживаются вместе при высокоскоростном вращении, однако её до сих пор не удалось непосредственно наблюдать, что заставило физиков предлагать всевозможные неправдоподобные идеи, чтобы не ссылаться на эту неуловимую материю как на способ заткнуть дыры в существующих теориях.
Последнее предложение в этом направлении исходит от астрофизика Ричарда Льеу из Университета Алабамы в Хантсвилле, который предположил, что вместо тёмной материи, связывающей галактики и другие тела вместе, Вселенная может содержать тонкие, похожие на оболочку слои «топологических дефектов», которые порождают гравитацию без какой-либо лежащей в их основе массы.
Льеу начал с того, что попытался найти другое решение полевых уравнений Эйнштейна, которые связывают кривизну пространства-времени с наличием в нём материи.
Как описал Эйнштейн в 1915 году в своей общей теории относительности, пространство-время искривляется вокруг пучков материи и потоков излучения во Вселенной в зависимости от их энергии и импульса. Эта энергия, конечно же, связана с массой в знаменитом уравнении Эйнштейна: E=mc^2.
Таким образом, масса объекта связана с его энергией, которая искривляет пространство-время — и это искривление пространства-времени Эйнштейн назвал гравитацией, что гораздо сложнее, чем сформулированное в 17 веке Ньютоном представление о гравитации как о силе, действующей между двумя объектами с массой. Другими словами, гравитация кажется неразрывно связанной с массой.
Это не так, утверждает Лье.
В своих работах Лье занялся решением упрощённой версии полевых уравнений Эйнштейна, которая допускает существование конечной силы гравитации в отсутствие какой-либо обнаруживаемой массы. По его словам, его усилия были «продиктованы моим разочарованием в существующем положении вещей, а именно представлением о существовании тёмной материи, несмотря на отсутствие прямых доказательств этого в течение целого столетия».
Решение Лье состоит из топологических дефектов в форме оболочек, которые могут возникать в очень компактных областях пространства с очень высокой плотностью материи.
Эти наборы концентрических оболочек содержат тонкий слой положительной массы, находящийся внутри внешнего слоя отрицательной массы. Эти две массы уравновешивают друг друга, так что общая масса двух слоёв равна нулю. Но когда звезда выходит на эту оболочку, она испытывает большую гравитационную силу, тянущую её к центру оболочки.
«Утверждение моей статьи состоит в том, что по крайней мере оболочки, о которых в ней говорится, безмассовые», — говорит Льеу. Если эти спорные предположения будут иметь хоть какой-то смысл, «тогда не будет необходимости продолжать этот кажущийся бесконечным поиск тёмной материи», — добавляет Льеу.
Следующий вопрос заключается в том, как подтвердить или опровергнуть существование предложенных Льеу оболочек с помощью наблюдений.
«Растущая частота наблюдений кольцевых и оболочечных образований галактик во Вселенной свидетельствует в пользу предложенного здесь типа источника», — пишет Лье в своей статье. Хотя он признаёт, что предложенное им решение является «весьма гипотетическим» и не может само по себе дискредитировать гипотезу о тёмной материи.
«В лучшем случае это может быть интересным математическим упражнением, — заключает Лье. — Но это первое [математическое] доказательство того, что гравитация может существовать без массы».
