Чи хибні закони тяжіння Ньютона: таємниці спостережень дослідників

Відкриття неможливо пояснити класичними припущеннями.

Міжнародна група астрофізиків зробила дивовижне відкриття під час аналізу деяких зоряних скупчень. Це відкриття суперечить законам тяжіння Ньютона, пишуть дослідники у своїй публікації. Натомість спостереження узгоджуються з передбаченнями альтернативної теорії гравітації. Однак це викликає суперечки серед експертів. Результати опубліковані в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Боннський університет відіграв важливу роль у дослідженні.

У своїй роботі дослідники досліджували так звані відкриті зоряні скупчення, незв’язані групи від кількох десятків до кількох сотень зірок, які знаходяться в спіральних і неправильних галактиках. Розсіяні скупчення утворюються, коли тисячі зірок народжуються протягом короткого періоду часу у величезній газовій хмарі. Коли він «займається», прибульці з галактики здувають залишки газової хмари. При цьому маса значно розширюється. Це створює пухке утворення з кількох десятків до кількох тисяч зірок. Маса утримується разом слабкими силами тяжіння, які діють між собою.

«У більшості випадків розсіяні зоряні скупчення живуть лише кілька сотень мільйонів років, перш ніж розплавляться», — пояснює професор д-р Павел Крупа з Інституту радіаційної та ядерної фізики імені Гельмгольца Боннського університету. У процесі регулярно втрачаються зірки, які накопичуються в так званих «приливних хвостах». Один із цих хвостів тягнеться за блок, коли він подорожує крізь простір. У свою чергу інший бере лідерство, як вістря.

Проф. д-р Павел Крупа з Інституту радіаційної та ядерної фізики імені Гельмгольца Боннського університету. Авторство: Фолькер Ланерт/Боннський університет

«Згідно із законами тяжіння Ньютона, це справа випадковості, який із хвостів потрапить у зниклу зірку», — пояснює доктор Ян Пвалам-Альтенберг з Інституту радіаційної та ядерної фізики імені Гельмгольца. «Отже, обидва кінці повинні містити приблизно однакову кількість зірок. Однак у нашій роботі ми вперше змогли довести, що це не так: у групах, які ми вивчали, передній хвіст завжди містить більше зірок, близьких до маси ніж задній хвіст ” .

Розроблено новий метод обчислення зірок

Серед мільйонів зірок, близьких до маси, досі було майже неможливо визначити, які з них належать до їхніх хвостів. «Щоб зробити це, вам потрібно подивитися на швидкість і напрямок руху та вік кожного з цих об’єктів», — пояснює доктор Тереза ​​Ярабкова. Співавтор дослідження, яка отримала ступінь доктора філософії в групі Крупа, нещодавно переїхала з Європейське космічне агентство (ESA) для Європейської південної обсерваторії в Гархінге. Вона розробила метод, який дозволив їй вперше точно порахувати зірки в їхніх хвостах. «Поки що поблизу нас досліджено п’ять відкритих скупчень, у тому числі чотири нами», — каже вона. «Коли ми проаналізували всі дані, ми зіткнулися з суперечністю з поточною теорією. Дуже точні дані опитування з Місія Європейського космічного агентства Gaia незамінний для цього».

У зоряному скупченні Гіади (угорі) кількість зірок (чорний) у передньому припливному хвості набагато більша, ніж у задньому. У комп’ютерному моделюванні з MOND (нижче) з’являється схожа картина. Авторство: AG Kroupa / Uni Bonn

Навпаки, дані спостережень краще узгоджуються з теорією MOND («Модифікована ньютонівська динаміка») серед експертів. «Простіше кажучи, згідно з MOND, зірки можуть покинути групу через дві різні двері», — пояснює Крупа. “Один веде до хвоста припливу назад, інший до переду. Однак перший набагато вужчий за другий, тому малоймовірно, що зірка залишить масу через нього. З іншого боку, гравітаційна теорія Ньютона передбачає, що обидва двері повинні бути однакової ширини».

Зоряні скупчення живуть коротше, ніж передбачають закони Ньютона

Команда астрофізиків розрахувала очікуваний розподіл зірок згідно з MOND. «Результати напрочуд узгоджуються зі спостереженнями», — підкреслює доктор Інго Тіс, який відіграв ключову роль у відповідних моделюваннях. Однак для цього довелося вдатися до відносно простих арифметичних методів. Наразі нам не вистачає математичних інструментів для більш детального аналізу модифікованої ньютонівської динаміки”. Однак моделювання також збіглося зі спостереженнями з іншого боку: вони передбачили, як довго мають залишатися нормально відкриті зоряні скупчення. Цей період часу набагато коротший, ніж очікувалося, до “Це пояснює давно відому таємницю, – зазначає Крупа. – Зокрема, зоряні скупчення в сусідніх галактиках, здається, зникають швидше, ніж повинні”.

Проте теорія MOND не є безперечною серед експертів. Оскільки закони гравітації Ньютона були б недійсними за певних умов, а їх потрібно було б змінити, це мало б далекосяжні наслідки й для інших галузей фізики. «Знову ж таки, це вирішує багато проблем, з якими сьогодні стикається космологія», — пояснює Крупа, який також є членом відділу міждисциплінарних досліджень моделювання та матерії в Боннському університеті. Зараз астрофізики досліджують нові математичні методи для більш точного моделювання. Потім їх можна використати для пошуку додаткових доказів того, чи вірна теорема MOND.

Довідка: Павло Карпа, Тереза ​​Ярабкова, Інго Тейс, Ян Пвалам-Альтенберг, Бенуа Фемі, Генрі М. Дж. Боффін, Йорг Дабрінгхаузен, Джакомо Беккарі, Тімо Беккарі: «Асиметричні припливні хвости розсіяних зоряних скупчень: зірки, що перетинають скупчення Брах, кидають виклик ньютонівській гравітації». , Крістіан Бойл, Хоссейн Хаджі, Зувен Ву, Ярослав Хасс, Акрам Хосні Зунуцці, Гійом Томас, Ладіслав Убер і Дж. Арсіт, посол, 26 жовтня 2022 р. Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства.
DOI: 10.1093/mnras/stac2563

Окрім Боннського університету, дослідження включало Карлів університет у Празі, Європейську південну обсерваторію ([{” 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.