هل قوانين نيوتن للجاذبية خاطئة: الباحثون ألغاز الملاحظة

لا يمكن تفسير الاكتشاف بالافتراضات الكلاسيكية.

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

في عملهم ، قام الباحثون بالتحقيق في ما 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 غاز ضخمة. عندما “تشتعل” ، ينفخ القادمون الجدد من المجرة بقايا سحابة الغاز. في هذه العملية ، يتوسع الكتلة بشكل كبير. هذا يخلق تشكيل فضفاض من عدة عشرات إلى عدة آلاف من النجوم. يتم تجميع الكتلة معًا بواسطة قوى الجاذبية الضعيفة التي تعمل فيما بينها.

يوضح البروفيسور الدكتور بافيل كروبا من معهد هيلمهولتز للإشعاع والفيزياء النووية بجامعة بون: “في معظم الحالات ، تعيش مجموعات النجوم المفتوحة بضع مئات من ملايين السنين فقط قبل أن تذوب”. في هذه العملية ، تفقد النجوم بانتظام ، والتي تتراكم في ما يسمى بـ “ذيول المد والجزر”. يتم سحب أحد هذه التيول خلف الكتلة أثناء انتقالها عبر الفضاء. في المقابل ، يأخذ الآخر زمام المبادرة مثل رأس الحربة.

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

يوضح الدكتور جان بفالام-ألتنبرج من معهد هيلمهولتز للإشعاع والفيزياء النووية: “وفقًا لقوانين الجاذبية لنيوتن ، إنها مسألة صدفة في أي من ذيول ينتهي به المطاف بالنجم المفقود”. “لذا 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 ، يحتوي الذيل الأمامي دائمًا على عدد أكبر من النجوم القريبة من الكتلة أكثر من الذيل الخلفي “.

تم تطوير طريقة جديدة لحساب النجوم

من بين ملايين النجوم القريبة من الكتلة ، كان من المستحيل تقريبًا تحديد تلك التي تنتمي إلى ذيولها – حتى الآن. تشرح الدكتورة تيريزا يرابكوفا: “للقيام بذلك ، عليك أن تنظر إلى سرعة واتجاه الحركة وعمر كل من هذه الأجسام”. المؤلفة المشاركة في البحث ، والتي حصلت على درجة الدكتوراه في مجموعة Kroupa ، انتقلت مؤخرًا من وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) للمرصد الأوروبي الجنوبي في جارشينج. لقد طورت طريقة أتاحت لها حساب النجوم في ذيولها بدقة لأول مرة. وتقول: “حتى الآن ، تم التحقيق في خمس مجموعات مفتوحة بالقرب منا ، بما في ذلك أربعة من قبلنا”. “عندما حللنا جميع البيانات ، واجهنا التناقض مع النظرية الحالية. بيانات المسح الدقيقة للغاية من مهمة جايا الفضائية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية لا غنى عنها من أجل هذا “.

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

في المقابل ، تتلاءم بيانات الرصد بشكل أفضل مع النظرية التي تُعرف باختصار MOND (“الديناميكيات النيوتونية المعدلة”) بين الخبراء. يوضح Kroupa: “ببساطة ، وفقًا لـ MOND ، يمكن للنجوم أن تترك مجموعة من خلال بابين مختلفين”. “واحد يؤدي إلى الذيل الخلفي المد والجزر ، والآخر إلى الأمام. ومع ذلك ، فإن الأول أضيق بكثير من الثاني – لذا فمن 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 أقصر عمرا مما تتنبأ به قوانين نيوتن

قام فريق علماء الفيزياء الفلكية بحساب التوزيع النجمي المتوقع وفقًا لـ MOND. “تتوافق النتائج بشكل مدهش مع الملاحظات” ، يبرز الدكتور Ingo Thies ، الذي لعب دورًا رئيسيًا في عمليات المحاكاة المقابلة. ومع ذلك ، كان علينا اللجوء إلى أساليب حسابية بسيطة نسبيًا للقيام بذلك. نحن نفتقر حاليًا إلى الأدوات الرياضية لإجراء تحليلات أكثر تفصيلاً لديناميكيات نيوتن المعدلة “. ومع ذلك ، تزامنت عمليات المحاكاة أيضًا مع الملاحظات من ناحية أخرى: لقد توقعوا المدة التي يجب أن تبقى فيها عناقيد النجوم المفتوحة عادةً. وهذه الفترة الزمنية أقصر بكثير مما هو متوقع وفقًا لقوانين نيوتن. ويشير Kroupa إلى أن “هذا يفسر لغزًا معروفًا منذ فترة طويلة”. “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 ، فسيكون لذلك عواقب بعيدة المدى على مجالات الفيزياء الأخرى أيضًا. يشرح Kroupa ، وهو أيضًا عضو في مجالات البحث المتعددة التخصصات “النمذجة” و “المادة” في جامعة بون: “ثم مرة أخرى ، فإنه يحل العديد من المشكلات التي يواجهها علم الكونيات اليوم”. 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 تعبر براها عنقودها 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.