Tévesek-e Newton gravitációs törvényei: Kutatók megfigyelési rejtélyei

A felfedezés nem magyarázható klasszikus feltevésekkel.

Egy nemzetközi asztrofizikus csapat rejtélyes felfedezést tett néhány csillaghalmaz elemzése közben. Ez a felfedezés dacol Newton gravitációs törvényeivel – írják publikációjukban a kutatók. Ehelyett a megfigyelések összhangban vannak egy alternatív gravitációs elmélet előrejelzéseivel. Ez azonban ellentmondásos a szakértők körében. Az eredményeket a Royal Astronomical Society Monthly Notices című folyóiratában tették közzé. A Bonni Egyetem fontos szerepet játszott a tanulmányban.

Munkájuk során a kutatók úgynevezett nyitott csillaghalmazokat, néhány tucat-néhány száz csillagból álló, egymással nem összefüggő csoportokat vizsgáltak spirális és szabálytalan galaxisokban. Nyílt halmazok akkor jönnek létre, amikor csillagok ezrei születnek rövid időn belül egy hatalmas gázfelhőben. Amikor „kigyullad”, a galaxisból érkezők lefújják a gázfelhő maradványait. A folyamat során a tömeg jelentősen kitágul. Ez több tíz-több ezer csillagból álló laza képződményt hoz létre. A tömeget az egymás között ható gyenge gravitációs erők tartják össze.

„A legtöbb esetben a nyitott csillaghalmazok csak néhány százmillió évig élnek, mielőtt elolvadnak” – magyarázza Dr. Pavel Krupa professzor, a Bonni Egyetem Helmholtz Sugárzási és Atommagfizikai Intézetéből. A folyamat során a csillagok rendszeresen elvesznek, amelyek az úgynevezett „dagályfarokban” halmozódnak fel. Az egyik ilyen farok a blokk mögé húzódik, miközben az űrben halad. A másik viszont lándzsahegyként veszi át a vezetést.

Prof. Dr. Pavel Krupa, a Bonni Egyetem Helmholtz Sugárzási és Atommagfizikai Intézetéből. Köszönetnyilvánítás: Volker Lanert/Bonni Egyetem

„A Newton-féle gravitációs törvények szerint a véletlenen múlik, hogy melyik farok kerül az eltűnt csillagba” – magyarázza Dr. Jan Pvalam-Altenberg, a Helmholtz Sugárzási és Nukleáris Fizikai Intézet munkatársa. „Tehát mindkét végén megközelítőleg ugyanannyi csillag kell, hogy legyen. Munkánk során azonban először tudtuk bebizonyítani, hogy ez nem igaz: az általunk vizsgált csoportokban az elülső farok mindig több, a tömeghez közeli csillagot tartalmaz. mint a hátsó farok”.

Új módszert dolgoztak ki a csillagok kiszámítására

A tömeghez közel álló csillagok milliói közül szinte lehetetlen volt megállapítani, hogy melyek tartoznak a farkukhoz – egészen mostanáig. „Ehhez meg kell nézni a mozgás sebességét és irányát, valamint az egyes objektumok korát” – magyarázza Dr. Teresa Yarabkova. A kutatás társszerzője, aki a Kroupa csoportban szerzett Ph.D. fokozatot, nemrég költözött el Európai Űrügynökség (ESA) a garchingi Európai Déli Obszervatórium számára. Kifejlesztett egy módszert, amely lehetővé tette számára, hogy először pontosan megszámolja a csillagokat a farkukban. „Eddig öt nyitott klasztert vizsgáltak meg a közelünkben, köztük négyet mi is” – mondja. „Amikor az összes adatot elemeztük, ellentmondásba ütköztünk a jelenlegi elmélettel. A rendkívül pontos felmérési adatok Az Európai Űrügynökség Gaia küldetése ehhez nélkülözhetetlen.”

A Hyades csillaghalmazban (fent) az elülső árapály-farokban a csillagok (fekete) száma sokkal nagyobb, mint a hátsóban. A MOND-dal végzett számítógépes szimulációban (lent) hasonló kép jelenik meg. Hitel: AG Kroupa / Uni Bonn

Ezzel szemben a megfigyelési adatok jobban illeszkednek az elmélethez MOND („Modified Newtonian Dynamics”) a szakértők körében. „Egyszerűen fogalmazva, a MOND szerint a sztárok két különböző ajtón keresztül hagyhatják el a csoportot” – magyarázza Kroupa. „Az egyik a farok dagályához vezet hátra, a másik elöl. Az első azonban sokkal keskenyebb, mint a második – így nem valószínű, hogy a csillag elhagyja a tömeget rajta keresztül. Másrészt Newton gravitációs elmélete azt jósolja, hogy mindkettő Az ajtóknak azonos szélességűeknek kell lenniük.”

A csillaghalmazok rövidebb élettartamúak, mint ahogy azt Newton törvényei megjósolják

Az asztrofizikusok csapata a MOND szerint kiszámította a csillagok várható eloszlását. „Az eredmények meglepően összhangban vannak a megfigyelésekkel” – emeli ki Dr. Ingo Thies, aki kulcsszerepet játszott a megfelelő szimulációkban. Ehhez azonban viszonylag egyszerű számtani módszerekhez kellett folyamodnunk. Jelenleg hiányoznak a matematikai eszközök a módosított newtoni dinamika részletesebb elemzéséhez.” A szimulációk azonban egybeestek a megfigyelésekkel is: megjósolták, mennyi ideig maradhatnak normálisan nyitott csillaghalmazok. Ez az időtartam sokkal rövidebb a vártnál. „Ez megmagyaráz egy régóta ismert rejtélyt” – jegyzi meg Kroupa. „Konkrétan a közeli galaxisokban a csillaghalmazok gyorsabban tűnnek el, mint kellene.”

A MOND-elmélet azonban nem vitathatatlan a szakértők körében. Mivel a Newton-féle gravitációs törvények bizonyos feltételek mellett nem lennének érvényesek, hanem módosítani kellene, ennek messzemenő következményei lennének a fizika más területeire nézve is. „Ezzel együtt megoldja a kozmológiának napjainkban tapasztalható számos problémáját” – magyarázza Kroupa, aki a Bonni Egyetem modellezés és anyag interdiszciplináris kutatási területeinek is tagja. Az asztrofizikusok most új matematikai módszereket kutatnak a pontosabb szimulációk érdekében. Ezután felhasználhatók arra, hogy további bizonyítékokat találjanak arra vonatkozóan, hogy a MOND-tétel igaz-e vagy sem.

Hivatkozás: „Nyitott csillaghalmazok aszimmetrikus árapályfarka: A Brah-halmazukat keresztező csillagok szembeszállnak a Newtoni gravitációval” – Pavel Karpa, Teresa Yarabkova, Ingo Theis, Jan Pvalam-Altenberg, Benoit Famy, Henry MJ Boffin, Jörg Dabringhausen, Giacomo Beccari , Christian Boyle, Hossein Hajji, Zuven Wu, Jaroslav Hass, Akram Hosni Zunuzzi, Guillaume Thomas, Ladislav Uber és J Arsith nagykövet, 2022. október 26., A Royal Astronomical Society havi közleményei.
DOI: 10.1093/mnras/stac2563

A vizsgálatba a Bonni Egyetemen kívül a prágai Károly Egyetem, az Európai Déli Obszervatórium is kiterjedt.[{” 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.