Известно, что все планеты Солнечной системы вращаются с разными угловыми скоростями. Чем дальше удалена планета от Солнца, тем меньше ее и линейная и угловая скорость. Это все подчиняется классическим законам физики Ньютона, а если быть точным, то законами Кеплера для движения небесных тел.
Почти вся масса Солнечной системы сосредоточена в ее центре, в Солнце. Поэтому, ничего удивительного, что Юпитер совершает один оборот вокруг Солнца за 12 земных лет, а Нептуну для этого нужно почти 165 лет.
Оказывается, эти законы небесной механики не действуют на галактики. В начале 20 века при наблюдениях спиральных галактик выяснилось, что все звезды на любом удалении от центра галактики вращаются с одной угловой скоростью. Эти наблюдения отличаются от расчетных.
Первой серьезной работой на эту тему стала диссертации американского астронома Хореса Бэбкока, которую он опубликовал в 1939 году. Он изучал данные вращения галактики туманность Андромеды. Через год такие же данные получил астроном Ян Оорт для галактики NGC 3115.
В 1950-е годы эту картину подтвердили наблюдения галактик M31 и М33 в радиодиапазоне. А в 70-х годах это обнаружили и у многих других спиральных галактик - работы Альберта Босмы, Веры Рубин и Кента Форда, Кена Фримена.
С точки зрения классической физики это означает, что основная масса галактик не сосредоточена в ее центре, как в планетарных системах, а равномерно распределена по всей галактике. Хотя, по последним данным в центре галактик находят сверхмассивные черные дыры, которые имеют большую долю в массе галактики. А распределение масс звезд и газа в спиральных галактиках неравномерное.
Картина такая, как будто все галактики погружены в облако какой-то невидимой массы с равномерным распределением этой массы внутри облака. Причем масса этого облака в 2- 3 раза больше видимой у этой галактики ( светящейся массы звезд, пыли, газа). Межгалактический газ на эту роль не подходит, потому что он светится в различных диапазонах излучения. И у газа есть спектры поглощения излучения.
Чтобы это объяснить, астрофизикам пришлось применить в космологической модели строения галактик так называемую «темную материю». Это не наблюдаемая в любые средства наблюдения материя, которая взаимодействует с обычной материей только через силы гравитации. Ее невозможно наблюдать ни в ИК-спектре, не в радиодиапазоне. Она не излучает свет (фотоны) и не поглощает их. Что это на самом деле – физика не знает до сих пор. Но без темной материи рассыпается вся космология.
Еще странный факт. Темня материя не слипается в кластеры, она равномерно распределена по галактике. Но если она взаимодействует с обычной материей через гравитационное взаимодействие, то должна взаимодействовать и между собой. Где-то сгруппироваться, где-то должны появиться ее меньшие плотности. А это приведет к неравномерности углового вращения звезд.
Поэтому, позже в астрофизике пришлось применить понятие «темная энергия», т.к. «темная материя» не могла объяснить всех масштабов видимых парадоксов во Вселенной. Темной энергии во Вселенной еще больше.
Более подробно про эти темные субстанции была публикация здесь:
Почему темная материя не действует в Солнечной системе? Астрофизика говорит, что здесь не те масштабы и ее плотность внутри нашей системы ничтожно мала. Что она проявляет себя только в масштабе галактики.
Но вернемся к равноскоростному вращению звезд в галактиках. Можно ли этот феномен (парадокс) объяснить другими способами, не прибегая к моделям темной материи? Да, такие попытки были.
В 1983 году физик Мордехаем Милгромом предложил Модифицированную ньютоновскую динамику (MOND).
Ученый предложил, что ньютоновская сила гравитации подтверждена только для относительно больших ускорений, и предположил, что для малых ускорений закон всемирного тяготения может не работать. MOND устанавливает, что ускорение зависит нелинейно от создающей его массы для малых ускорений. Милгром обращает внимание на тот факт, что ожидаемое от тёмной материи поведение отсутствовало в некоторых звездных системах, а при использовании MOND - присутствовало.
Позже наблюдения двойных звезд показали, что ускорение, при котором пары двойных звёзд вращаются вокруг общего центра масс, не соответствует прогнозам, основанным на уравнениях Ньютона и Эйнштейна, если ускорение составляет менее 1 нм/с². Если ускорение ещё меньше - менее 0,1 нм/с² - то в широких двойных звёздных системах наблюдается ускорение, превышающее "классическое" значение на 30-40%.
Аналогом модифицированной ньютоновской динамикой стала Скаляр-тензор-векторная теория гравитации. Но вроде как наблюдения не подтвердили расчеты этой теории.
Эти две теории говорят о том, что законы физики могут быть анизотропны, не работать при определенных масштабах и значениях сил и величин. Как в квантовом мире. Там свои законы, которые не наблюдаются в макромире.
Наука не рассматривает варианты, что галактики – это не то, что мы наблюдаем. Не тех размеров и не на тех расстояниях, что декларируются. Например, астрофизика до сих пор не знает что такое квазары. Это локальные светящиеся объекты на краю видимой Вселенной, которые светятся как целая галактика, но по структуре похожи на звезды.
Но эта крамольная мысль иного строения Вселенной может разрушить всю космологию. Поэтому, в науке остается главенствующая модель с темной энергией. Хотя, и она не объясняет всех вопросов. Нет даже информации, что это такое с точки зрения физики. И наука спокойно с этим живет десятилетия.