هل قوانين نيوتن للجاذبية خاطئة؟ رؤية مؤامرات الباحثين

لا يمكن تفسير النتيجة بالفرضيات التقليدية.

حقق فريق دولي من علماء الفيزياء الفلكية اكتشافًا محيرًا أثناء تحليل بعض مجموعات النجوم. كتب الباحثون في منشوراتهم أن هذا الاكتشاف يتحدى قوانين نيوتن للجاذبية. بدلاً من ذلك ، تتوافق الملاحظات مع تنبؤات نظرية بديلة للجاذبية. ومع ذلك ، هذا مثير للجدل بين الخبراء. نُشرت النتائج في الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية. لعبت جامعة بون دورًا رئيسيًا في الدراسة.

درس الباحثون في عملهم ما يسمى بالعناقيد النجمية المفتوحة ، وهي مجموعات غير مترابطة من بضع عشرات إلى بضع مئات من النجوم الموجودة في المجرات الحلزونية وغير المنتظمة. تتشكل العناقيد المفتوحة عندما تولد آلاف النجوم في وقت قصير في سحابة ضخمة من الغاز. عن طريق “الإشعال” ، يأخذ القادمون الجدد من المجرة بقايا سحابة الغاز. في هذه العملية ، تنمو الكتلة بشكل ملحوظ. هذا يخلق تشكيل فضفاض من عدة عشرات إلى عدة آلاف من النجوم. يتم تجميع الكتلة معًا بواسطة قوى الجاذبية الضعيفة التي تعمل فيما بينها.

يقول البروفيسور بافيل كروبا من معهد هيلمهولتز للفيزياء النووية والإشعاعية بجامعة جود: “في معظم الحالات ، تعيش مجموعات النجوم المفتوحة بضع مئات من ملايين السنين فقط قبل أن تتلاشى”. في هذه العملية ، تفقد النجوم بانتظام ، والتي تتراكم في ما يسمى “ذيول المد والجزر”. يتم سحب أحد هذه التيول خلف الكتلة أثناء انتقالها عبر الفضاء. من ناحية أخرى ، يأخذ الآخر زمام المبادرة مثل رأس الحربة.

معلم. د. بافيل كروبا من معهد هيلمهولتز للإشعاع والفيزياء النووية بجامعة بون. الائتمان: فولكر لانرت / جامعة بون

يقول الدكتور جان بفالام ألتنبرج من معهد هيلمهولتز للإشعاع والفيزياء النووية: “وفقًا لقوانين الجاذبية لنيوتن ، إنها مسألة حظ تنتهي فيها ذيول نجم مفقود”. “وبالتالي ، يجب أن يحتوي كلا الطرفين على نفس عدد النجوم تقريبًا. ومع ذلك ، في عملنا ، تمكنا لأول مرة من إثبات أن هذا غير صحيح: في المجموعات التي درسناها ، تحتوي مقدمة الذيل دائمًا على العديد من النجوم القريبة إلى الكتلة من الذيل الخلفي.

تم تطوير طريقة جديدة لعد النجوم

من بين ملايين النجوم القريبة من الكتلة ، كان من المستحيل تقريبًا تحديد أيها ينتمي إلى ذيولها ، حتى الآن. تقول الدكتورة تيريزا ييرابكوفا: “للقيام بذلك ، عليك أن تنظر إلى سرعة واتجاه الحركة وعمر كل من هذه الأشياء”. الكاتبة المشاركة في كتابة المقال ، والتي حصلت على درجة الدكتوراه في مجموعة Kroupa ، غادرت مؤخرًا وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) في المرصد الأوروبي الجنوبي في جارشينج. لقد طورت طريقة أتاحت لها حساب النجوم في ذيولها بدقة لأول مرة. وتقول: “حتى الآن ، تمت دراسة خمس مجموعات مفتوحة بالقرب منا ، أربعة منها بواسطتنا”. “عندما حللنا جميع البيانات ، واجهنا التناقض مع النظرية الحالية. بيانات المسح الدقيقة للغاية مهمة جايا الفضائية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية كانت ضرورية لهذا.

في العنقود النجمي “Hyades” (أعلى) ، يكون عدد النجوم (السوداء) في الذيل الأمامي أكبر بكثير من النجوم الموجودة في المؤخرة. في محاكاة الكمبيوتر مع MOND (أدناه) ، تظهر صورة مماثلة. الائتمان: AG Kroupa / Uni Bonn

من ناحية أخرى ، تتلاءم بيانات الرصد بشكل أفضل مع النظرية التي تُعرف باختصار العالمية (“الديناميكيات النيوتونية المعدلة”) بين الخبراء. يوضح Kroupa “بعبارات بسيطة ، وفقًا لـ MOND ، يمكن للنجوم أن تترك عنقودًا من خلال بوابتين مختلفتين”. “أحدهما يؤدي إلى ذيل المد الخلفي والآخر إلى الأمام. ومع ذلك ، فإن الأول أضيق بكثير من الثاني – لذلك من غير المرجح أن يترك النجم الكتلة من خلاله. من ناحية أخرى ، تتوقع نظرية الجاذبية لنيوتن أن كلا البابين يجب أن يكونا بنفس العرض.

العناقيد النجمية لها أعمار أقصر مما تتنبأ به قوانين نيوتن

قام فريق علماء الفيزياء الفلكية بحساب التوزيع النجمي المتوقع وفقًا لـ MOND. “تتفق النتائج بشكل مدهش مع الملاحظات” ، يؤكد الدكتور Ingo Thies ، الذي لعب دورًا رئيسيًا في عمليات المحاكاة المقابلة. ومع ذلك ، كان علينا اللجوء إلى طرق حسابية بسيطة نسبيًا للقيام بذلك. نحن نفتقر حاليًا إلى الأدوات الرياضية لإجراء تحليلات أكثر تفصيلاً لديناميات نيوتن المعدلة. ومع ذلك ، تزامنت عمليات المحاكاة أيضًا مع الملاحظات من ناحية أخرى: فقد توقعوا المدة التي يجب أن تبقى فيها عناقيد النجوم المفتوحة عمومًا. وهذا الإطار الزمني أقصر بكثير مما يتوقعه المرء وفقًا لقوانين نيوتن. يشير Kroupa إلى أن “هذا يفسر لغزًا معروفًا منذ زمن طويل”. “وبالتحديد ، يبدو أن عناقيد النجوم في المجرات القريبة تختفي أسرع مما ينبغي.”

ومع ذلك ، فإن نظرية MOND ليست بلا منازع بين الخبراء. نظرًا لأن قوانين الجاذبية لنيوتن لن تكون صالحة في ظل ظروف معينة ، ولكن سيتعين تعديلها ، سيكون لهذا أيضًا عواقب بعيدة المدى على مجالات الفيزياء الأخرى. “مرة أخرى ، هذا يحل العديد من المشاكل التي تواجه علم الكونيات اليوم” ، كما يقول Kroupa ، وهو أيضًا عضو في مجالات البحث متعددة التخصصات “النمذجة” و “المادة” في جامعة بون. يستكشف علماء الفيزياء الفلكية الآن طرقًا رياضية جديدة من أجل عمليات محاكاة أكثر دقة. يمكن استخدامها بعد ذلك للعثور على مزيد من الأدلة حول ما إذا كانت نظرية MOND صحيحة أم لا.

المرجع: “ذيول المد والجزر غير المتكافئة للعناقيد النجمية المفتوحة: النجوم التي تعبر عنقود العناقيد تتحدى الجاذبية النيوتونية” بقلم بافيل كاربا ، تيريزا يرابكوفا ، إنغو ثيس ، جان بفالام-ألتنبرغ ، بينوا فامي ، هنري إم جي بوفين ، يورغ دابرينغهاوزن ، جياكومو بيكاري ، تيمو بيكاري ، كريستيان بويلي ، حسين حاجي ، زوفين وو ، ياروسلاف هاس ، أكرم حسني زونوزي ، غيوم توماس ، لاديسلاف أوبر وسفير جي آرسيث ، 26 أكتوبر 2022 ، الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
DOI: 10.1093 / mnras / stac2563

بالإضافة إلى جامعة بون ، شملت الدراسة جامعة تشارلز في براغ ، المرصد 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.