Czy prawa grawitacji Newtona są błędne: tajemnice obserwacji badaczy?

Odkrycia nie da się wytłumaczyć klasycznymi założeniami.

Międzynarodowy zespół astrofizyków dokonał zagadkowego odkrycia podczas analizy niektórych gromad gwiazd. To odkrycie przeczy prawom grawitacji Newtona, piszą naukowcy w swojej publikacji. Zamiast tego obserwacje są zgodne z przewidywaniami alternatywnej teorii grawitacji. Jest to jednak kontrowersyjne wśród ekspertów. Wyniki zostały opublikowane w miesięcznych notatkach Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego. Dużą rolę w badaniu odegrał Uniwersytet w Bonn.

W swojej pracy naukowcy badali tzw. gromady otwarte gwiazd, niepowiązane grupy od kilkudziesięciu do kilkuset gwiazd znajdowane w galaktykach spiralnych i nieregularnych. Gromady otwarte powstają, gdy tysiące gwiazd rodzą się w krótkim czasie w masywnym obłoku gazu. Kiedy się „zapala”, przybysze z galaktyki zdmuchują resztki obłoku gazu. W tym procesie masa znacznie się rozszerza. Tworzy to luźną formację od kilkudziesięciu do kilku tysięcy gwiazd. Masa jest utrzymywana razem przez słabe siły grawitacyjne, które działają między sobą.

„W większości przypadków otwarte gromady gwiazd żyją zaledwie kilkaset milionów lat, zanim się stopią” – wyjaśnia profesor dr Pavel Krupa z Instytutu Promieniowania i Fizyki Jądrowej im. Helmholtza na Uniwersytecie w Bonn. W tym procesie regularnie giną gwiazdy, które gromadzą się w tak zwanych „ogonach pływowych”. Jeden z tych ogonów jest wciągany za blok podczas podróży w przestrzeni. Z kolei drugi przejmuje prowadzenie niczym grot.

dr Pavel Krupa z Instytutu Fizyki Radiacyjnej i Jądrowej im. Helmholtza na Uniwersytecie w Bonn. Źródło: Volker Lanert/Uniwersytet w Bonn

„Zgodnie z prawami grawitacji Newtona kwestią przypadku jest, który z ogonów znajdzie się w brakującej gwieździe” – wyjaśnia dr Jan Pvalam-Altenberg z Instytutu Radiacji i Fizyki Jądrowej im. Helmholtza. „Tak więc oba końce powinny zawierać w przybliżeniu taką samą liczbę gwiazd. Jednak w naszej pracy po raz pierwszy byliśmy w stanie udowodnić, że to nieprawda: w badanych grupach przedni ogon zawsze zawiera więcej gwiazd zbliżonych do masy niż tylny ogon”.

Opracowano nową metodę obliczania gwiazd

Wśród milionów gwiazd bliskich masie prawie niemożliwe było ustalenie, które z nich należą do ich ogonów – aż do teraz. „Aby to zrobić, musisz spojrzeć na prędkość i kierunek ruchu oraz wiek każdego z tych obiektów” – wyjaśnia dr Teresa Yarabkova. Współautorka badań, która uzyskała stopień doktora w grupie Kroupa, niedawno przeniosła się z Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) dla Europejskiego Obserwatorium Południowego w Garching. Opracowała metodę, która po raz pierwszy pozwoliła jej dokładnie policzyć gwiazdy w ich ogonach. „Do tej pory w pobliżu nas zbadano pięć gromad otwartych, w tym cztery przez nas” – mówi. „Kiedy przeanalizowaliśmy wszystkie dane, napotkaliśmy sprzeczność z obecną teorią. Bardzo dokładne dane ankietowe z Misja Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej niezbędne do tego.”

W gromadzie gwiazd Hiad (u góry) liczba gwiazd (czarnych) w przednim ogonie pływowym jest znacznie większa niż w tylnej. W symulacji komputerowej z MOND (poniżej) pojawia się podobny obraz. Źródło: AG Kroupa / Uni Bonn

Natomiast dane obserwacyjne lepiej pasują do teorii w skrócie PONIEDZIAŁEK („Zmodyfikowana dynamika Newtona”) wśród ekspertów. „Mówiąc prosto, według MOND, gwiazdy mogą opuścić grupę dwoma różnymi drzwiami” – wyjaśnia Kroupa. „Jeden prowadzi do tyłu ogona, drugi do przodu. Jednak pierwszy jest znacznie węższy niż drugi – więc jest mało prawdopodobne, aby gwiazda opuściła przez niego masę. Z drugiej strony teoria grawitacji Newtona przewiduje, że oba drzwi powinny mieć taką samą szerokość ”.

Gromady gwiazd żyją krócej niż przewidują prawa Newtona

Zespół astrofizyków obliczył oczekiwany rozkład gwiazd zgodnie z MOND. „Wyniki są zaskakująco zgodne z obserwacjami” – podkreśla dr Ingo Thies, który odegrał kluczową rolę w odpowiednich symulacjach. W tym celu musieliśmy jednak uciec się do stosunkowo prostych metod arytmetycznych. Obecnie brakuje nam narzędzi matematycznych do wykonywania bardziej szczegółowych analiz zmodyfikowanej dynamiki Newtona”. Jednak z drugiej strony symulacje zbiegły się z obserwacjami: przewidziały, jak długo powinny pozostać normalnie otwarte gromady gwiazd. Ten okres czasu jest znacznie krótszy niż oczekiwano zgodnie z oczekiwaniami. na „To wyjaśnia od dawna znaną tajemnicę”, zauważa Kroupa. „W szczególności gromady gwiazd w pobliskich galaktykach wydają się znikać szybciej niż powinny”.

Jednak teoria MOND nie jest bezdyskusyjna wśród ekspertów. Ponieważ prawa grawitacji Newtona nie obowiązywałyby w pewnych warunkach, ale musiałyby zostać zmodyfikowane, miałoby to daleko idące konsekwencje również dla innych dziedzin fizyki. „Z drugiej strony rozwiązuje wiele problemów, z którymi boryka się dziś kosmologia”, wyjaśnia Kroupa, który jest również członkiem Interdyscyplinarnych Obszarów Badawczych Modelowania i Materii na Uniwersytecie w Bonn. Astrofizycy badają teraz nowe metody matematyczne w celu uzyskania dokładniejszych symulacji. Można je następnie wykorzystać do znalezienia dalszych dowodów na to, czy twierdzenie MOND jest prawdziwe.

Odniesienie: „Asymetryczne ogony pływowe otwartych gromad gwiazd: gwiazdy przekraczające gromadę Brah przeciwstawiają się grawitacji newtonowskiej” autorstwa Pavela Karpy, Teresy Yarabkova, Ingo Theisa, Jana Pvalama-Altenberga, Benoit Famy, Henry’ego MJ Boffina, Jörga Dabringhausena, Giacomo Beccari, Timo Beccari , Christian Boyle, Hossein Hajji, Zuven Wu, Jaroslav Hass, Akram Hosni Zunuzzi, Guillaume Thomas, Ladislav Uber i ambasador J Arsith, 26 października 2022 r., Comiesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
DOI: 10.1093/mnras/stac2563

Oprócz Uniwersytetu w Bonn badaniami objęto także Uniwersytet Karola w Pradze, Europejskie Obserwatorium Południowe ([{” 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.