Темна матерія - це загадкова складова Всесвіту, яка становить близько 85% усієї матерії, але не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням. Крім того, її фізична природа залишається невідомою.

Зокрема, стандартна модель темної матерії, яка передбачає існування слабко взаємодіючих частинок, зіштовхується з деякими проблемами на галактичних масштабах, такими як форма внутрішнього профілю щільності, кількість і властивості супутникових галактик і спостережувані емпіричні закономірності між темною і баріонною матерією.

Теорія дробової гравітації

В новому дослідженні, опублікованому у журналі The Astrophysical Journal, група вчених запропонувала нову теорію темної матерії в галактиках, яка ґрунтується на концепції дробової гравітації. За цього погляду, ТМ породжує гравітаційне поле, яке описується модифікованим рівнянням Пуассона, включно з дробовими похідними (тобто похідними нецілого типу), що описують нелокальні ефекти.

Дробовий розрахунок - це розгалуження математики, які застосовується для опису різних фізичних явищ, що підлягають нелокальній поведінці у просторі й часі.

Вчені продемнстрували, що в дробовiй гравiтацiї динамiка тестової частинки у потенцiалi, породженому стандартним профiлем щiльностi Наварро-Френка-Вайта (який вважають за репрезентативне приближення для профiлю щiльностi для гало з невзаємодiючою темною матерiєю), суттєво змiнюється порiвняно з ньютонiвським випадком.

Дослідники використали комплексний набір даних, що охоплює кілька галактичних систем, проаналізувавши їхні криві обертання (КО), щоб визначити вплив ТМ. Результати показали, що теорія дробової гравітації не тільки краще узгоджується зі спостережуваними даними, на що вказує значне покращення значень хі-квадрат, але й дає сильно від'ємні значення байєсівського інформаційного критерію. Ці від'ємні значення вказують на явну перевагу дробової гравітації над ньютонівським випадком у байєсівському статистичному сенсі.

Одним з особливо вартих уваги прикладів є аналіз руху карликових галактик, де внесок баріонної матерії в динаміку вважається незначним. Тут ньютонівська модель намагалася відтворити внутрішню частину галактичних гало через стрибкоподібну поведінку розподілу густини Наварро-Френка-Вайта (NFW), що історично створювало проблеми, відомі як проблема стрибкоподібного ядра.

На противагу цьому, модель дробової гравітації суттєво змінила динаміку, дозволивши профілю густини NFW точно відтворити спостережуваний внутрішній РК. Це дивовижне узгодження випливає з того факту, що гравітаційний потенціал, генерований густиною NFW у дробовій гравітації, імітує розподіл густини ядра, наприклад, псевдоізотермічну сферу, у ньютонівській гравітації.

Однак, як застерігають дослідники, у більш масивних галактиках, де вплив баріонної матерії стає все більш значним і зрештою домінує над ТМ до певного радіуса (ропта), докази на користь дробової гравітації слабшають.

У таких системах підходи, отримані на основі теорії дробової та ньютонівської гравітації, демонструють разючу подібність, хоча все ще існує помітна розбіжність в оцінках повної маси. Дослідники підкреслюють необхідність більш точних спостережень, що охоплюють розширений радіальний діапазон, щоб зробити остаточні висновки щодо впливу дробової гравітації на масивні спіралі.

Це дослідження є важливим кроком вперед у нашому розумінні динаміки гало, проливаючи світло на переваги прийняття теорії дробової гравітації. Надаючи точніший опис кривих обертання галактик, дробова гравітація відкриває нові шляхи для вивчення природи ТМ та її ролі у формуванні великомасштабної структури Всесвіту. Подальші дослідження та уточнені спостереження, безсумнівно, продовжать розширювати наші знання в цій  галузі досліджень.

Такий погляд може забезпечити точне узгодження з експериментальними кривими обертання спіральних галактик з різними властивостями, включаючи карликові та галактики з високою/низькою поверхневою яскравістю; відтворити з розумною точністю спостережувану форму і розсіяння радіального прискорення; а також належним чином врахувати універсальну поверхневу щільність і співвідношення між радіусом ядра темної матерії та масштабною довжиною диска.

Альтернативна теорія: MOND

Викладена концепція дробової гравітації потенційно розв'язувати дрібномасштабні проблеми, що виникають при аналізі кривих обертання галактик, особливо в карликових галактиках.

Але для повноти картини та полегшення порівняння з результатами інших досліджень, науковці також розглянули альтернативну точку зору, засновану на модифікованій ньютонівській динаміці (MOND).

У цій інтерпретації не береться до уваги компонент ТМ, а дробова гравітація приписується баріонній матерії. Основна ідея полягає в тому, що, подібно до оригінальної версії MOND або інших модифікованих теорій гравітації, реалістичність теорії загальної відносності може бути відтворена баріонами в рамках теорії дробової гравітації.

Тому астрофізики повторно провели аналіз, спираючись на методологічні вимоги модифікованої гравітації. У дослідженні враховано незначні внески від будь-яких випуклостей або газових компонентів у складених досліджуваних систем. Вільні параметри моделі включали масу диска (Md), дробовий індекс (s) і масштаб дробової довжини (ℓ).

Щодо масштабу дробової довжини (ℓ), то вчені дозволили йому варіюватися як вільному параметру підбору, встановивши його значення приблизно (2/π) × √(G × Md / a0), де a0 ≈ 1,2 × 10-10 м с-2. Це значення узгоджується з очікуваною оцінкою МОНД-інтерпретації теорії дробової гравітації.

Порівнюючи припасування до складених РК в обох випадках, дослідники виявили, що вони практично не відрізняються, і зосередили свій аналіз на базовому сценарії.