Принято считать, что кривая вращения звёзд Млечного Пути под влиянием темной материи имеет вид, отличающийся от кеплеровской кривой. Однако, гипотеза о темной материи не устраняет противоречий самой наблюдаемой кривой вращения. С измеренной для Млечного пути кривой вращения галактика не может иметь наблюдаемого вида.
Если взять за основу имеющиеся данные о вращении галактики Млечный Путь, то прямым сопоставлением этих данных можно обнаружить довольно странное обстоятельство. С такой кривой вращения галактика в прошлом – всего два периода назад, около 600 млн. лет – должна была быть плотно «закручена» в обратную сторону. Напротив, в недалёком будущем, в течение следующих нескольких оборотов она также должна фактически полностью лишиться рукавов, которые равномерно рассеются, размажутся по её диску. Учитывая, что возраст галактики предполагается порядка десятка миллиардов лет, её прошлое выглядит ещё более загадочно – возникновение рукавов невозможно объяснить по чисто кинематическим противоречиям. Можно предположить, что измеренная кривая вращения нестабильна и отражает лишь нынешнее состояние галактики, что в не очень далёком прошлом эта кривая вращения существенно отличалась от нынешней.
Впервые несоответствие скоростей движения галактик ньютоновой механике исследовал в 1933 году Цвики, наблюдавший движение галактик в скоплении Кома. Он заметил, что для движения галактик с измеренными скоростями общей массы скопления недостаточно. За недостающей массой, в несколько раз превышающей массу скопления, закрепилось название «темная материя».
Позднее, в 1980 году это же явление в масштабах галактик подробно исследовала астроном Вера Рубин. В галактиках так же недоставало общей массы, чтобы звёзды в них двигались с измеренными скоростями. При вычисленных массах галактик и измеренных скоростях звёзд в этих галактиках звёзды не могли оставаться на наблюдаемых орбитах, они должны были вылететь за пределы галактики. Выяснилось, что независимо от удалённости звёзд от центра галактики, за исключением лишь ближних к нему, их скорости вращения оставались примерно одинаковыми.
Эти скорости, описываемые кривыми вращения, заметно отличались от предсказываемых законами Кеплера и общей теорией относительности. Для устранения расхождения наблюдений и вычислений была выдвинута гипотеза о наличии в галактиках (и скоплениях галактик) скрытой, невидимой массы, которую и назвали «темной материей». Эта материя не излучает, не отражает и не поглощает свет, поэтому визуально не наблюдаема. Но она оказывает на видимое вещество заметное гравитационное влияние. При всей странности этой субстанции, в пользу её существования говорят многие косвенные явления.
Однако, гипотеза о темной материи устраивала не всех. Поэтому предпринимались попытки объяснить явление отклонения кривых вращения от кеплеровских без привлечения этой гипотезы. Например, была разработана модифицированная ньютоновская динамика – МОНД. Но её решения оказались не универсальными – для каждой галактики требовалась своя модификация. Другая теория - анизотропная геометродинамика С.Сипарова – смогла описать некоторые наблюдаемые отклонения от кеплеровского движения, но и она имеет пробелы. Например, высказываются замечания, что она не способна описать движение галактик, состоящих только из темной материи и галактик, не содержащих перемычки.
В результате в научном мире в настоящее время принято считать, что только темная материя позволяет наиболее полно привести в соответствие теорию и наблюдения. Поэтому главная задача сейчас – это обнаружение частицы, образующей темную материю. В частности, в качестве таких частиц рассматриваются вимпы – массивные слабо взаимодействующие частицы, для регистрации которых созданы различные подземные измерительные лаборатории.
Однако, независимо от причин формирования таких кривых вращения, они парадоксальны сами по себе. Например, в некоторых научно-популярных фильмах, в анимациях вращающиеся галактики изображаются как твердое тело. Это означает, что угловые скорости вращения всех входящих в них звёзд равны. Но кривые вращения – это линейные (тангенциальные) скорости. Например, скорости звёзд галактики Млечный путь в среднем составляют примерно 220 км/сек, в то время, как угловая скорость для периферийной её части равна примерно 300 млн. лет на один оборот и 100 млн. лет на один оборот для перемычки и ближайших к ней звёзд. Кроме этого, на динамических, анимированных изображениях галактик направление их вращения показывают как в сторону направления рукавов, так и в обратном направлении. В одном случае рукава галактик должны закручиваться (как бы наматываться на центр галактики), в другом – раскручиваться, распрямляться.
Можно предположить, что изображаемые картины галактик являются мгновенными снимками в их истории, которые явно не указывают на их историю и будущее. Измеренные скорости звёзд соответствуют текущему моменту времени и мало что говорят о своих прошлых или будущих значениях. Поэтому говорить о динамике их движения можно лишь с определённой степенью уверенности.
Исходя из этого, следовало бы считать и даже можно утверждать, что с измеренными кривыми вращения галактики (и, видимо, их скопления) не могут двигаться как твердое тело. Действительно, если скорости звёзд ближайших к центру галактики и удалённых от него равны, то их угловые скорости явно разные. Это означает, что за полный оборот вокруг центра звезды на краю галактики, ближняя к центру должна совершить большее число оборотов! То есть, галактика должна либо закручивать рукава, либо распрямлять их в зависимости от направления вращения.
Воспользуемя приёмом ретроспективного развития, обратного движения во времени. При этом можно ожидать, что рукава спиральной галактики должны распрямиться. Для этого изобразим галактику Млечный Путь в виде флэш-анимации. Элементы галактики – рукава и перемычка – изобразим схематично с соблюдением насколько возможно масштабов и выделив их цветом. Такой способ изображения галактики в интернете встречается не редко. Анимация приведена в начале данной заметки, а более подробно с обоснованиями и расчетами её можно увидеть по адресу URL:
http://samlib.ru/p/putenihin_p_w/mw_037.shtml
В различных научно-популярных фильмах вращение спиральных галактик показывается как вращение твёрдого тела и в разных направлениях. Очевидно, однако, что галактика Млечный Путь вращается по часовой стрелке не как твёрдое тело, а разные скорости движения звёзд и скоплений приводит к тому, что рукава со временем закручиваются всё больше. Из этого следует, что в прошлом рукава, видимо, были закручены меньше. На анимации это хорошо видно.
При повороте галактики в прошлое на 200 млн. лет получилась довольно странная. Видно, что рукава при обратном вращении галактики в определенной степени распрямились и уже начали закручиваться в обратную сторону. Если принять во внимание все четыре рукава, то они образуют своеобразный крест. Заметим, что эта картина соответствует состоянию рукавов галактики Млечный Путь всего около одного оборота назад. На анимации для наглядности процесс вращения галактики представлен в цикле: сначала галактика раскручивается на 200 млн. лет назад от наших дней, затем вновь закручивается к существующему состоянию.
Рассмотрев различные модели эволюции галактики, мы не сможем естественного вопроса: а как будет двигаться, эволюционировать наша галактика в будущем? Ответ на этот вопрос можно легко получить, просто запустив таймер на анимации в будущее. Вот что при этом получилось: всего через 200 млн. лет рукава галактики фактически полностью перекрыли друг друга, и галактика уже не выглядит как спиральная.
Возможно ли такое в реальности? Неизвестно, произойдёт это или нет, но алгоритм вращения, движения рукавов галактики явно ведёт к такому исходу. Это, очевидно, плохо согласуется с предполагаемым возрастом галактики – почему много миллиардов лет она развивалась как спиральная, а теперь, всего за какие-то несколько сотен миллионов лет вдруг превратится в простую дисковую галактику?
Таким образом:
если бы звёзды в галактике Млечный Путь двигались согласно измеренной кривой вращения хотя бы на протяжении всего нескольких её циклов вращения, то внешний вид галактики существенно отличался бы от того, что мы видим в настоящее время;
гипотеза о темной материи решает, как считается, проблему кривых вращения, которые, строго говоря, сформулированы в довольно спорной форме, вызывающей недоверие о самом факте существования таких кривых.