کشف شگفت‌آوری که جاذبه نیوتن را به چالش کشید

خبرآنلاین: این مشاهدات شامل بر پایه پیش‌بینی‌هایی از یک نظریه جایگزین برای جاذبه زمین است. با این‌حال این موضوع در بین کارشناسان بسیار بحث برانگیز شده است. در حال حاضر نتایج این تحقیقات در ماهنامه انجمن سلطنتی نجوم منتشر شده است.

محققان در این کار به بررسی خوشه های ستاره‌ای پرداختند. این خوشه‌ها زمانی تشکیل می‌شوند که هزاران ستاره در یک سحابی (ابر گازی)عظیم در مدت کوتاهی متولد می‌شوند. زمانی که آنها شعله‌ور می‌شوند، تازه‌واردان کهکشانی باعث انفجار بقایای سحابی (ابر گازی) می‌شوند. در این فرآیند، خوشه‌ها به شکل قابل ملاحظه‌ای گسترش می‌یابند و و این باعث شکل‌گیری ده‌ها تا هزاران ستاره در ساختاری غیر مستحکم می شود. نیروی جاذبه و گرانش ضعیفی که بین آنها وجود دارد باعث می‌شود تا اجزای این خوشه نزدیک یکدیگر بمانند.

پروفسور دکتر پاول کروپا از موسسه تابش و فیزیک هسته‌ای هلمهوتز دانشگاه بن می‌گوید: «در بیشتر موارد، خوشه‌های ستاره‌ای باز، تنها چند صد میلیون سال دوام می‌آورند و سپس در فضا از هم می‌پاشند. در این فرآیند خوشه‌ها، ستاره‌های خود را از دست می‌دهند و به اصطلاح در دو "دُم جزر و مدی" انباشته می‌شوند.» یکی از این دُم‌ها، در شرایطی که در فضا حرکت می‌کند، به پشت خوشه کشیده می‌شود و دُم دیگر، بر خلاف گروه اول، رهبری و هدایت خوشه را در دست می‌گیرد.

دکتر جان پیفلم-آلتنبرگ از موسسه تابش و فیزیک هسته‌ای هلمهولتز در این باره این‌گونه توضیح می‌دهد: «طبق قوانین جاذبه نیوتن، اینکه یک ستاره گم شده در کدام یک از این دو دُم جزر و مدی قرار بگیرد، کاملا اتفاقی و شانسی است. بنابراین تعداد ستاره های هر دو دُم باید تقریبا یکسان باشد. در حالی‌که ما در مطالعاتمان برای اولین بار توانستیم ثابت کنیم که این موضوع درست نیست: در مورد خوشه‌هایی که ما مورد مطالعه قرار دادیم، در بخش جلویی خوشه‌ها (دم جلویی) همیشه تعداد ستاره‌ها به شکل قابل ملاحظه‌ای بیشتر از قسمت انتهایی آنها (دم پشتی) است.»

روش جدید شمردن ستارگان

تا به امروز تقریبا غیر ممکن بود که بتوانیم از میان میلیون‌ها ستاره نزدیک به خوشه، حدس بزنیم که کدامیک متعلق به خوشه (دم این خوشه) هستند. دکتر ترزا جرابکوا در این‌باره می‌گوید: «برای انجام این کار باید به سرعت، جهت حرکت و سن هریک از این اجسام را در نظر داشته باشیم» او که یکی از نویسندگان این مقاله است و دوره دکترای خود را در گروه کروپا گذرانده، به تازگی از آژانس فضایی اروپا(ESA) به رصد خانه جنوبی اروپا در گارچینگ رفته است. او روی روشی کار می‌کند که به او این امکان را می‌دهد تا برای اولین بار بتواند ستاره‌های موجود در دُم را به دقت بشمارد.

او می‌گوید:‌ «تاکنون پنج خوشه باز، در نزدیکی ما بررسی شده‌اند. زمانی که ما تمام داده‌ها را تجزیه و تحلیل می‌کردیم، به مغایرت‌هایی با تئوری کنونی مواجه شدیم. اطلاعات بسیار دقیق و ارزشمند دریافت شده از ماموریت فضایی گایا ESA دارای اهمیت بسیاری برای این تحقیق بودند.»

در هرحال داده‌های بصری با نظریه‌ای که در میان متخصصان با نام اختصاری MOND (دینامیک نیوتنی اصلاح شده) شناخته می‌شود، مطابقت بیشتری دارد. کروپا در این‌باره می‌گوید: «به زبان ساده، طبق نظریه MOND ستاره‌ها می‌توانند از دو قسمت مختلف، خوشه را ترک کنند. یکی از قسمت دُم انتهایی جزر و مدی و دیگری از قسمت جلویی است. با این حال گزینه اول، بسیار باریکتر از گزینه دوم است و احتمال اینکه یک ستاره از این قسمت از خوشه خارج شود، بیشتر است. از سوی دیگر نظریه جاذبه نیوتن پیش‌بینی می‌کند که پهنای هر دو مسیر خروجی ستاره، باید عرض یکسانی داشته باشد .»

عمر خوشه‌های ستاره‌ای کمتر از پیش‌بینی قوانین نیوتن است

متخصصان براساس نظریه MOND میزان پراکندگی ستاره‌ها را محاسبه کرده‌اند. دکتر اینگو تایز که نقشی کلیدی در این شبیه‌سازی‌ها داشته، می‌گوید: «نتایج به طور شگفت‌انگیزی با مشاهدات مطابقت دارند. اگرچه ما مجبور بودیم برای انجام این کار از روش‌های محاسباتی نسبتا ساده استفاده کنیم. در حال حاضر برای تجزیه و تحلیل دقیق‌تر نظریه اصلاح شده دینامیکی نیوتن ، دچار کمبود ابزارهای محاسباتی هستیم.»

با وجود این، شبیه‌سازی‌ها از جنبه دیگری با مشاهدات منطبق شدند: آنها پیش‌بینی کردند که طول عمر خوشه‌های ستاره‌ای باز، به طور معمول چقدر است. این بازه زمانی به شکل قابل توجهی کوتاه‌تر از آن چیزی بود که طبق قوانین نیوتن انتظارش می‌رفت. کروپا اشاره می‌کند: «این موضوع پاسخی برای معمایی است که مدتهاست مطرح بوده. به نظر می‌رسد که مثلا خوشه‌های ستاره‌ای که در کهکشان‌های نزدیک هستند، زودتر از آنچه که باید، ناپدید می‌شوند.»

با این‌حال نظریه MOND در میان کارشناسان بسیار بحث برانگیز است. این امر که قوانین جاذبه نیوتن در شرایط خاصی معتبر نیستند و باید اصلاح شوند، می‌تواند پیامدهای زیادی در سایر حوزه‌های فیزیک داشته باشد. کروپا می‌گوید:« اما باز هم این مسئله می‌تواند مشکلات زیادی که علم کیهان‌شناسی امروزه با آن روبروست را حل کند». این تیم در حال حاضر روش‌های ریاضی جدیدی را برای شبیه‌سازی‌های دقیق‌تر بررسی می‌کنند. از این بررسی‌ها می‌توان برای یافتن شواهد بیشتر در مورد درست یا غلط بودن نظریه‌MOND‌ استفاده کرد.