Грешни ли са законите на гравитацията на Нютон: Мистерии за наблюдение на изследователите

Откритието не може да се обясни с класически предположения.

Международен екип от астрофизици направи озадачаващо откритие, докато анализира някои звездни купове. Това откритие противоречи на законите на Нютон за гравитацията, пишат изследователите в публикацията си. Вместо това наблюденията са в съответствие с прогнозите на алтернативна теория за гравитацията. Това обаче е спорно сред експертите. Резултатите вече са публикувани в Месечните известия на Кралското астрономическо дружество. Университетът в Бон изигра основна роля в проучването.

В своята работа изследователите са изследвали така наречените отворени звездни купове, несвързани групи от няколко десетки до няколкостотин звезди, открити в спирални и неправилни галактики. Отворените клъстери се образуват, когато хиляди звезди се раждат за кратък период от време в масивен газов облак. Когато се „запалва“, новодошлите от галактиката издухват остатъците от газов облак. В процеса масата се разширява значително. Това създава хлабава формация от няколко десетки до няколко хиляди звезди. Масата се държи заедно от слабите гравитационни сили, които действат помежду си.

„В повечето случаи отворените звездни клъстери живеят само няколкостотин милиона години, преди да се стопят“, обяснява професор д-р Павел Крупа от Института за радиационна и ядрена физика Хелмхолц към университета в Бон. В процеса редовно се губят звездите, които се натрупват в така наречените „приливни опашки“. Една от тези опашки се изтегля зад блока, докато пътува през космоса. На свой ред другият повежда като острие.

Проф. д-р Павел Крупа от Института по радиационна и ядрена физика Хелмхолц към Университета в Бон. Кредит: Фолкер Ланерт/Университет на Бон

„Според законите на гравитацията на Нютон е въпрос на случайност коя от опашките ще се окаже в липсващата звезда“, обяснява д-р Ян Пвалам-Алтенберг от Института за радиационна и ядрена физика Хелмхолц. „Така че и двата края трябва да съдържат приблизително еднакъв брой звезди. В нашата работа обаче успяхме за първи път да докажем, че това не е вярно: в групите, които изследвахме, предната опашка винаги съдържа повече звезди, близки до масата отколкото задната опашка “ .

Разработен е нов метод за изчисляване на звездите

Сред милионите звезди, близки до масата, беше почти невъзможно да се определи кои принадлежат към техните опашки – досега. „За да направите това, трябва да разгледате скоростта и посоката на движение и възрастта на всеки от тези обекти“, обяснява д-р Тереза ​​Ярабкова. Съавторът на изследването, която получи докторската си степен в групата Krupa, наскоро се премести от Европейска космическа агенция (ESA) за Европейската южна обсерватория в Гархинг. Тя разработи метод, който й позволи да преброи точно звездите в опашките им за първи път. „Досега пет открити клъстера са изследвани близо до нас, включително четири от нас“, казва тя. „Когато анализирахме всички данни, се натъкнахме на противоречие с текущата теория. Изключително точните данни от проучването от Мисията Gaia на Европейската космическа агенция незаменим за това.“

В звездния куп Хиади (отгоре), броят на звездите (черни) в предната приливна опашка е много по-голям, отколкото в задната част. В компютърна симулация с MOND (по-долу) се появява подобна картина. Кредит: AG Krupa / Uni Bonn

Обратно, данните от наблюденията се вписват по-добре в теорията за кратко МОНД („Модифицирана нютонова динамика“) сред експерти. „Най-просто казано, според MOND, звездите могат да напуснат група през две различни врати“, обяснява Крупа. „Едната води към опашката приливна назад, другата към предната част. Първата обаче е много по-тясна от втората – така че е малко вероятно звездата да напусне маса през нея. От друга страна, гравитационната теория на Нютон прогнозира, че и двете вратите трябва да са с еднаква ширина“.

Звездните купове са с по-кратък живот, отколкото предвиждат законите на Нютон

Екипът от астрофизици е изчислил очакваното разпределение на звездите според МОНД. „Резултатите са изненадващо съвместими с наблюденията“, подчертава д-р Инго Тиес, който изигра ключова роля в съответните симулации. Въпреки това трябваше да прибегнем до сравнително прости аритметични методи, за да го направим. Понастоящем ни липсват математическите инструменти за извършване на по-подробни анализи на модифицираната нютонова динамика.“ Въпреки това, симулациите също съвпаднаха с наблюденията от друга страна: те прогнозираха колко дълго трябва да останат нормално отворените звездни купове. Този период от време е много по-кратък от очакваното според до „Това обяснява една отдавна известна мистерия“, отбелязва Крупа. „По-конкретно, звездните купове в близките галактики изглежда изчезват по-бързо, отколкото би трябвало.“

Въпреки това теорията на MOND не е безспорна сред експертите. Тъй като законите на гравитацията на Нютон няма да са валидни при определени условия, а ще трябва да бъдат модифицирани, това би имало дълбоки последици и за други области на физиката. „От друга страна, той решава много от проблемите, пред които е изправена космологията днес“, обяснява Крупа, който също е член на Интердисциплинарните изследователски области на моделиране и материя в университета в Бон. Астрофизиците сега изследват нови математически методи за по-точни симулации. След това те могат да бъдат използвани за намиране на повече доказателства за това дали теоремата на MOND е вярна или не.

Справка: „Асиметрични приливни опашки на отворени звездни клъстери: Звездите, пресичащи своя клъстер Брах, се противопоставят на нютоновата гравитация“ от Павел Карпа, Тереза ​​Ярабкова, Инго Тайс, Ян Пвалам-Алтенберг, Беноа Фами, Хенри М. Дж. Бофин, Йорг Дабрингхаузен, Джакомо Бекари, Тимо Бекари , Крисчън Бойл, Хосейн Хаджи, Зувен Ву, Ярослав Хас, Акрам Хосни Зунуци, Гийом Томас, Ладислав Убер и Дж. Арсит посланик, 26 октомври 2022 г., Месечни известия на Кралското астрономическо дружество.
DOI: 10.1093/mnras/stac2563

В допълнение към университета в Бон, проучването включва Карловия университет в Прага, Европейската южна обсерватория ([{“ 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.