كيف تتحدى الجاذبية المتغيرة آينشتاين والمادة المظلمة

يكشف بحث جديد رائد أن منحنيات دوران المجرة تظل مسطحة إلى أجل غير مسمى، مما يدعم التنبؤات بنظرية الجاذبية المعدلة كبديل للمادة المظلمة.

يتحدى هذا الاكتشاف النماذج الكونية الحالية ويشير إلى أن هالات المادة المظلمة قد توسعت بشكل كبير أو أن فهمنا لنظرية الجاذبية يتطلب إعادة تقييم أساسية.

اختراق في علم الكونيات

في اكتشاف رائد يتحدى الفهم التقليدي لعلم الكونيات، كشف العلماء في جامعة كيس ويسترن ريسيرف عن أدلة جديدة يمكن أن تعيد تشكيل تصورنا للكون.

قام توبياس ميستيلي، باحث ما بعد الدكتوراه في قسم علم الفلك في كلية الآداب والعلوم في جامعة كيس ويسترن ريسيرف، بتطوير تقنية ثورية باستخدام “عدسة الجاذبية” للتعمق في عالم المادة المظلمة الغامض. واكتشف أن منحنيات دوران المجرات تظل مسطحة لملايين السنين الضوئية دون نهاية في الأفق.

وكان العلماء يعتقدون سابقًا أن منحنيات دوران المجرات يجب أن تتناقص كلما ابتعدنا في الفضاء.

نمذجة منحنى دوران العدسة الضعيفة. الائتمان: جامعة كيس ويسترن ريزيرف

التشكيك في النماذج الكونية التقليدية

تقليديا، كان سلوك النجوم داخل المجرات يثير اهتمام علماء الفلك. وفقا للجاذبية النيوتونية، النجوم على الحواف الخارجية يجب تكون أبطأ بسبب انخفاض قوة الجاذبية. ولم يتم ملاحظة ذلك، مما أدى إلى استنتاج مفاده أنها كانت مادة مظلمة. ولكن حتى هالات المادة المظلمة من المتوقع أن تختفي، لذلك من غير المتوقع أن تظل منحنيات الدوران مسطحة إلى أجل غير مسمى.

يتحدى تحليل ميستيل هذا التوقع، ويقدم كشفًا مفاجئًا: تأثير ما نسميه المادة المظلمة يمتد إلى ما هو أبعد من التقديرات السابقة، ويمتد على الأقل مليون سنة ضوئية من مركز المجرة.

توبياس ميستيل. الائتمان: جامعة كيس ويسترن ريزيرف

مثل هذا التأثير بعيد المدى يمكن أن يشير إلى أن المادة المظلمة – كما نفهمها – قد لا تكون موجودة على الإطلاق.

وقال: “هذا الاكتشاف يتحدى النماذج الحالية، مما يشير إلى وجود هالات واسعة جدًا من المادة المظلمة أو أننا بحاجة إلى إعادة تقييم فهمنا لنظرية الجاذبية بشكل أساسي”.

الآثار الثورية للفيزياء الفلكية

وقالت ستايسي ماكغو، الأستاذة ورئيسة قسم علم الفلك في كلية الآداب والعلوم، إن النتائج التي توصل إليها ميستيل، والمقرر نشرها في مجلة رسائل من المجلات الفيزيائية الفلكيةدفع الحدود التقليدية.

وقال ماكغو: “إن الآثار المترتبة على هذه النتيجة عميقة”. “هذا لا يمكن أن يعيد تعريف فهمنا للمادة المظلمة فحسب، بل يدعونا أيضًا إلى استكشاف نظريات بديلة للجاذبية، مما يتحدى نسيج الفيزياء الفلكية الحديثة.”

قلب نظرية أينشتاين

التقنية الرئيسية التي يستخدمها ميستل في بحثه، عدسة الجاذبية، هي ظاهرة تنبأت بها نظرية النسبية العامة لأينشتاين. يحدث هذا بشكل أساسي عندما يقوم جسم ضخم، مثل مجموعة مجرات أو حتى نجم واحد ضخم، بثني مسار الضوء من مصدر بعيد. يحدث انحناء الضوء هذا لأن كتلة الجسم تشوه نسيج الزمكان المحيط به. يستمر انحناء الضوء بواسطة المجرات على مقاييس أكبر بكثير من المتوقع.

ستايسي ماكجو. الائتمان: جامعة كيس ويسترن ريزيرف

كجزء من البحث، رسم ميستيل ما يسمى بعلاقة تولي-فيشر على رسم بياني لتسليط الضوء على العلاقة التجريبية بين الكتلة المرئية للمجرة وسرعة دورانها.

قال ميستيل: “كنا نعلم بوجود هذه العلاقة”. “لكن لم يكن من الواضح أن العلاقة ستستمر مع تزايد تباعدنا. وإلى أي مدى يستمر هذا السلوك؟ هذا هو السؤال، لأن هذا لا يمكن أن يستمر إلى الأبد”.

وقال ميستيل إن اكتشافه يسلط الضوء على الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف والتعاون داخل المجتمع العلمي، فضلا عن التحليل المحتمل لمزيد من البيانات.

إعادة تقييم نظريات المادة المظلمة

وسلط ماكجو الضوء على الجهود الهائلة – ولكنها غير ناجحة حتى الآن – التي بذلها المجتمع الدولي لفيزياء الجسيمات لاكتشاف وتحديد جسيمات المادة المظلمة.

وقال ماكغو: “إما أن تكون هالات المادة المظلمة أكبر بكثير مما كان متوقعا، أو أن النموذج بأكمله خاطئ”. “النظرية التي تنبأت بهذا السلوك مسبقًا هي نظرية الجاذبية المعدلة MOND، التي طرحها موتي ميلجروم كبديل للمادة المظلمة في عام 1983. وبالتالي، فإن التفسير الواضح والمثير للجدل حتماً لهذه النتيجة هو أن المادة المظلمة هي وهم؛ وربما تشير الأدلة إلى نظرية جديدة للجاذبية تتجاوز ما علمنا إياه أينشتاين.

المرجع: “السرعات الدائرية المسطحة إلى أجل غير مسمى وعلاقة تولي-فيشر الباريونية بسبب العدسة الضعيفة” بقلم توبياس ميستيلي، وستايسي ماكجو، وفيديريكو ليلي، وجيمس شومبرت، وبنغفي لي، مقبولة، رسائل من المجلات الفيزيائية الفلكية.
أرخايف:2406.09685