هل قوانين نيوتن للجاذبية خاطئة: باحثو ألغاز المراقبة

الافتراضات الكلاسيكية لا يمكن أن تفسر النتيجة.

قام فريق دولي من علماء الفيزياء الفلكية باكتشاف مثير للاهتمام أثناء دراسة بعض العناقيد النجمية. كتب الباحثون في منشوراتهم أن هذا الاكتشاف يتحدى قوانين نيوتن للجاذبية. بدلاً من ذلك ، تتوافق الملاحظات مع تنبؤات نظرية الجاذبية البديلة. ومع ذلك ، هذا مثير للجدل بين الخبراء. تُنشر النتائج الآن في الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية. لعبت جامعة بون دورًا رئيسيًا في الدراسة.

في عملهم ، حقق الباحثون فيما يسمى بالعناقيد النجمية المفتوحة ، وهي مجموعات غير مترابطة تتكون من بضع عشرات إلى بضع مئات من النجوم الموجودة في المجرات الحلزونية وغير المنتظمة. تتشكل العناقيد المفتوحة عندما تولد آلاف النجوم خلال فترة زمنية قصيرة في سحابة كبيرة من الغاز. عندما “تشتعل” المستعرات تتخلص من بقايا سحابة غازية. في هذه العملية ، يتوسع الكتلة بشكل كبير. إنه يشكل تشكيلًا فضفاضًا من عشرات إلى عدة آلاف من النجوم. يتم تجميع الكتلة معًا بواسطة قوى جاذبية ضعيفة تعمل فيما بينها.

يوضح الدكتور بافيل كروبا ، أستاذ هيلمهولتز للإشعاع والفيزياء النووية بجامعة بون: “في معظم الحالات ، تتحلل مجموعات النجوم المفتوحة قبل بضع مئات من ملايين السنين”. في هذه العملية ، تفقد النجوم عادة ، وتشكل ما يسمى ب “ذيول المد والجزر”. يتم سحب أحد هذه التيول خلف الكتلة أثناء انتقالها عبر الفضاء. في المقابل ، يؤدي الآخر مثل رأس الحربة.

الدكتور بافيل جروبا هو أستاذ هيلمهولتز للإشعاع والفيزياء النووية في جامعة بون. الائتمان: فولكر لانرت / جامعة بون

يوضح الدكتور جون بفلام-ألدنبورج من هيلمهولتز للإشعاع والفيزياء النووية: “وفقًا لقوانين الجاذبية لنيوتن ، إنها مجرد مسألة ينتهي بها المطاف بالنجم المفقود”. “لذا يجب أن يحتوي كلا الطرفين على نفس عدد النجوم. ومع ذلك ، في عملنا تمكنا لأول مرة من إثبات أن هذا غير صحيح: في المجموعات التي درسناها ، دائمًا ما يحتوي الذيل الأمامي على نجوم أكثر أهمية أقرب إلى الكتلة من الذيل الخلفي.

تم تطوير طريقة جديدة لعد النجوم

من بين ملايين النجوم القريبة من عنقود ما ، يكاد يكون من المستحيل تمييز أي من ذيولها – حتى الآن. تشرح الدكتورة تيريزا ييرابكوفا: “للقيام بذلك ، نحتاج إلى النظر في سرعة واتجاه الحركة وعمر كل من هذه الأشياء”. انتقل مؤخرًا المؤلف المشارك في الورقة ، والذي يحمل درجة الدكتوراه في مجموعة كروبا. وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) للمرصد الأوروبي الجنوبي في كارشنغ. لأول مرة طور طريقة تسمح بإحصاء النجوم في ذيول بدقة. يقول: “حتى الآن ، تم التحقيق في خمس مجموعات مفتوحة بالقرب منا ، بما في ذلك أربع من قبلنا”. “عندما حللنا جميع البيانات ، واجهنا تناقضًا مع النظرية الحالية. بيانات المسح الأكثر دقة مركبة الفضاء جايا التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية ضرورية لهذا “.

في العنقود النجمي “المرتفعات” (أعلى) ، يكون عدد مذنبات المد والجزر في المقدمة (السوداء) أكبر بكثير من عدد المذنبات في الخلفية. في محاكاة الكمبيوتر باستخدام MOND (أدناه) ، تظهر صورة مماثلة. الائتمان: AG Kroupa / Uni Bonn

من ناحية أخرى ، تتلاءم بيانات الرصد مع النظرية المجردة بشكل أفضل بكثير يوم الاثنين (“ميكانيكا نيوتن المعدلة”) بين الخبراء. يوضح جروبا: “ببساطة ، وفقًا لـ MOND ، يمكن للنجوم أن تترك مجموعة من خلال بابين مختلفين”. “أحدهما هو ذيل الموجة الخلفية ، والآخر في المقدمة. ومع ذلك ، فإن الأول أضيق بكثير من الثاني – لذلك من غير المرجح أن يفلت النجم من خلاله. ومن ناحية أخرى ، تتوقع نظرية نيوتن في الجاذبية أن كلا البابين يجب أن تكون بنفس العرض.

العناقيد النجمية أقصر عمرا مما تتوقعه قوانين نيوتن

قام فريق من علماء الفيزياء الفلكية بحساب التوزيع النجمي المتوقع وفقًا لـ MOND. “النتائج متسقة بشكل مدهش مع الملاحظات” ، يسلط الضوء على الدكتور Ingo Thies ، الذي كان له دور فعال في عمليات المحاكاة المقابلة. “ومع ذلك ، كان علينا اللجوء إلى أساليب حسابية بسيطة نسبيًا للقيام بذلك. ليس لدينا حاليًا الأدوات الرياضية للتحليلات التفصيلية لديناميكيات نيوتن المعدلة. ومع ذلك ، فإن عمليات المحاكاة تتوافق مع الملاحظات بطريقة أخرى: فهي تتنبأ بطول النجم المفتوح عادة ما تبقى العناقيد على قيد الحياة. هذه الفترة الزمنية هي ما يمكن توقعه وفقًا لقوانين نيوتن. “هذا يفسر لغزًا معروفًا منذ فترة طويلة ،” يشير جروبا. “أي ، يبدو أن العناقيد النجمية في المجرات القريبة تختفي أسرع مما هي عليه الآن. “

ومع ذلك ، فإن نظرية MOND ليست بلا منازع بين الخبراء. سيكون لهذا عواقب بعيدة المدى على مجالات الفيزياء الأخرى ، حيث لم تكن قوانين الجاذبية لنيوتن صالحة في ظروف معينة ، ولكن كان لا بد من تعديلها. “مرة أخرى ، هذا يحل العديد من المشكلات التي يواجهها علم الكونيات اليوم” ، يوضح جروبا ، وهو أيضًا عضو في مجالات البحث في الأقسام “النمذجة” و “المادة” في جامعة بون. يستكشف علماء الفيزياء الفلكية الآن طرقًا رياضية جديدة لمحاكاة أكثر دقة. يمكن استخدامها للعثور على مزيد من الأدلة على صحة نظرية MOND أم لا.

المرجع: “ذيول غير متكافئة للعناقيد المفتوحة: تحدي الجاذبية النيوتونية” بقلم بافيل كروبا ، تيريزا زيرابكوفا ، إينجو ثيس ، جون بيفلام-ألدنبورغ ، بينوا فامي ، هنري إم جي. بوفين ، جورج دوبرينغهاوزن ، ديكومورسين ، جيامورسين ، حسين حاجي ، زوفين وو ، ياروسلاف هاس ، أكرم حساني زونوزي ، غيوم توماس ، لاديسلاف شوبر ، وسفير جي أرسيث ، 26 أكتوبر 2022. الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
DOI: 10.1093 / mnras / stac2563

بالإضافة إلى جامعة بون ، شملت الدراسة جامعة تشارلز في براغ ، والمختبر الأوروبي الجنوبي ([{” attribute=””>ESO) in Garching, the Observatoire astronomique de Strasbourg, the European Space Research and Technology Centre (ESA ESTEC) in Nordwijk, the Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS) in Zanjan (Iran), the University of Science and Technology of China, the Universidad de La Laguna in Tenerife, and the University of Cambridge.

The study was funded by the Scholarship Program of the Czech Republic, the German Academic Exchange Service (DAAD), the French funding organization Agence nationale de la recherche (ANR), and the European Research Council ERC.