انهيار نظريات نيوتن وآينشتاين في التسارع المنخفض

وجدت دراسة للحركات المدارية لثنائيات كبيرة دليلاً على أن الجاذبية القياسية تتحلل عند التسارع المنخفض. يتوافق هذا الاكتشاف مع نظرية معدلة تسمى MOND ويتحدى المفاهيم الحالية للمادة المظلمة. إن الآثار المترتبة على الفيزياء الفلكية والفيزياء وعلم الكونيات عميقة ، وقد تم الاعتراف بالنتائج باعتبارها اكتشافًا مهمًا من قبل الخبراء في هذا المجال.

تشير دراسة جديدة إلى أدلة قاطعة على اختراق الجاذبية القياسية لحد التسارع المنخفض ، الناتج عن تحليل يمكن التحقق منه للحركات المدارية للنجوم الثنائية طويلة المدى والمتباعدة على نطاق واسع. يشار إلى هذه النجوم عادة باسم ثنائيات واسعة في علم الفلك والفيزياء الفلكية. تم إجراء الدراسة بواسطة Kyu-Hyun Chae ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة Sejong في سيول ، واستخدمت ما يصل إلى 26500 من الثنائيات العريضة في غضون 650 سنة ضوئية (LY) ، والتي لاحظها تلسكوب Gaia الفضائي التابع لوكالة الفضاء الأوروبية.

المنهجية

من أجل تحسين كبير مقارنة بالبحوث الأخرى ، ركزت دراسة تشاي على حساب تسارعات الجاذبية التي تتعرض لها النجوم الثنائية كدالة لفصلها أو ، على نحو مكافئ ، الفترة المدارية. تم تحقيق ذلك من خلال إسقاط مونت كارلو للحركات المرصودة المسقطة في السماء في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

يشرح تشاي ، “منذ البداية ، كان من الواضح لي أنه يمكن اختبار الجاذبية بشكل مباشر وفعال أكثر عن طريق حساب التسارع ، لأن مجال الجاذبية نفسه عبارة عن تسارع. قادتني خبراتي الأخيرة في البحث عن منحنيات دوران المجرة إلى هذه الفكرة. تشترك الأقراص المجرية والثنائيات العريضة في بعض التشابه في مداراتها ، على الرغم من أن الثنائيات العريضة تتبع مدارات طويلة جدًا بينما تتبع جزيئات غاز الهيدروجين في قرص مجري مدارات دائرية تقريبًا.

بالإضافة إلى ذلك ، قامت Chae بمعايرة معدل حدوث الثنائيات المتداخلة الداخلية المخفية عند تسريع قياسي ، على عكس الدراسات الأخرى.

إلى اليسار: نظام نجمي ثنائي به ثنائي داخلي متداخل (Credit: Wikipedia). إلى اليمين: شذوذ جاذبية منخفض التسارع لوحظ في 20000 من الثنائيات العريضة Credit: Kyu-Hyun Chae

نتائج

كشفت الدراسة أنه عندما يدور نجمان حول بعضهما البعض مع تسارع أقل من حوالي نانومتر واحد في الثانية المربعة ، فإنهما يبدآن في الانحراف عن تنبؤات قانون نيوتن العالمي للجاذبية والنسبية العامة لأينشتاين. بالنسبة للتسارع الأقل من 0.1 نانومتر في الثانية المربعة ، يكون التسارع الملحوظ أكبر بحوالي 30-40٪ من تنبؤ نيوتن-آينشتاين. أهمية كبيرة ، تلبية معايير 5 سيغما الكلاسيكية لاكتشاف علمي. في عينة مكونة من 20000 حاوية واسعة داخل حدود مسافة 650 LY ، تظهر سلالتا تسريع مستقلتان على التوالي انحرافات أكثر من 5 سيجما مهمة في نفس الاتجاه.

نظرًا لأن التسارعات المرصودة التي تزيد عن 10 نانومتر في الثانية مربعة تتفق جيدًا مع تنبؤات نيوتن-آينشتاين لنفس التحليل ، فإن الزيادة الملحوظة في التسارع عند التسارع الأقل تعد لغزًا. من الغريب أن هذا التحلل لنظرية نيوتن-أينشتاين عند التسارع المنخفض اقترحه منذ 40 عامًا الفيزيائي النظري مورديهاي ميلجروم من معهد وايزمان في إسرائيل إلى إطار نظري جديد يسمى الديناميكيات النيوتونية المعدلة (MOND) أو ديناميكيات ميلغروم شائعة الاستخدام.

تسجيل الدخول إلى MOND

تم توقع عامل التضخيم البالغ حوالي 1.4 بشكل صحيح بواسطة نظرية لاغرانج الشبيهة بموند للجاذبية تسمى أكوال ، التي اقترحها ميلجروم والفيزيائي الراحل جاكوب بيكينشتاين. اللافت للنظر هو أن عامل التضخيم الصحيح يتطلب تأثير المجال الخارجي لـ درب التبانة المجرة ، فريد من نوعه مثل MOND تنبؤ الجاذبية المعدل. وبالتالي ، فإن البيانات الثنائية الواسعة لا تشير فقط إلى انهيار الديناميكيات النيوتونية ولكن أيضًا إلى مظهر من مظاهر تأثير المجال الخارجي للجاذبية المعدلة.

إنسايت تشاي

من بين النتائج ، يقول تشاي ، “يبدو من المستحيل أن تتسبب أي مؤامرة أو منهجية غير معروفة في حدوث هذه الإخفاقات المعتمدة على تسارع الجاذبية القياسية بالاتفاق مع AQUAL. نظرت إلى كل علم اللاهوت النظامي المحتمل كما هو موضح في المقالة الطويلة نوعًا ما. النتائج حقيقية. أتوقع أن يتم تأكيد النتائج وتنقيحها ببيانات أفضل وأكثر أهمية في المستقبل. لقد قمت أيضًا بنشر جميع أكوادي من أجل الشفافية وخدمة أي باحث مهتم.

الآثار والقيود

على عكس منحنيات دوران المجرة ، حيث يمكن من الناحية النظرية أن تُنسب التسارع المتضخم الملحوظ إلى المادة المظلمة في جاذبية نيوتن-أينشتاين القياسية ، لا يمكن أن تتأثر الديناميات الثنائية العريضة حتى لو كانت موجودة. تنقسم الجاذبية القياسية ببساطة إلى حد تسارع ضعيف وفقًا لإطار عمل MOND.

الآثار المترتبة على الديناميات الثنائية الممتدة عميقة في الفيزياء الفلكية والفيزياء النظرية وعلم الكونيات. أدت الانحرافات التي لوحظت في مدارات عطارد في القرن التاسع عشر في النهاية إلى النسبية العامة لأينشتاين. تتطلب الانحرافات الآن في الثنائيات الكبيرة نظرية جديدة توسع النسبية العامة إلى حد التسارع المنخفض MOND.

على الرغم من كل النجاحات التي حققتها جاذبية نيوتن ، إلا أن النسبية العامة ضرورية لظواهر الجاذبية النسبية مثل الثقوب السوداء و موجات الجاذبية. وبالمثل ، على الرغم من كل النجاحات التي حققتها النسبية العامة ، هناك حاجة إلى نظرية جديدة لظاهرة MOND في حدود التسارع المنخفض. قد يكون لكارثة تسارع الجاذبية المنخفضة بعض التشابه مع كارثة الأشعة فوق البنفسجية للديناميكا الكهربائية الكلاسيكية التي أدت إلى فيزياء الكم.

ثورة في الفيزياء

تعتبر الانحرافات الثنائية الكبيرة كارثية بالنسبة للجاذبية المعيارية وعلم الكونيات اللذين يعتمدان على مفاهيم المادة المظلمة والطاقة المظلمة. نظرًا لأن الجاذبية تتبع MOND ، لم تعد هناك حاجة إلى كمية كبيرة من المادة المظلمة في المجرات (وحتى في الكون). هذه مفاجأة كبيرة لتشاي الذي ، مثل العلماء العاديين ، “يؤمن” بالمادة المظلمة حتى سنوات قليلة مضت.

يبدو أن ثورة جديدة في الفيزياء جارية الآن. فيما يتعلق بالنتائج الحالية والآفاق المستقبلية ، يقول ميلغروم: “إن اكتشاف تشاي هو نتيجة لتحليل معقد للغاية للبيانات الحديثة ، والتي ، بقدر ما أستطيع أن أقول ، قام بها بدقة شديدة وبعناية. ولكن بالنسبة لمثل هذا الاكتشاف بعيد المدى – وهو بالفعل بعيد المدى – نحتاج إلى تأكيد من خلال تحليلات مستقلة ، ويفضل أن يكون ذلك مع بيانات مستقبلية أفضل. إذا تم تأكيد هذه الحالة الشاذة على أنها انهيار لديناميات نيوتن ، وخاصة إذا كانت تتفق بالفعل مع أبسط تنبؤات MOND ، فستكون لها آثار هائلة على الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات والفيزياء الأساسية بشكل عام.

آراء الأقران

يقول Xavier Hernandez ، الأستاذ في UNAM في المكسيك ، الذي اقترح لأول مرة إجراء اختبارات جاذبية ثنائية واسعة النطاق قبل عقد من الزمن ، “إنه من المثير أن الابتعاد عن الجاذبية النيوتونية التي تدعي مجموعتي أنها قد تم تأكيدها لبعض الوقت بشكل مستقل ، ومن المثير للإعجاب أن هذا المغادرة تم تحديده لأول مرة بشكل صحيح على أنه مطابق بدقة لنمط MOND التفصيلي. لم يسبق له مثيل دقة من القمر الصناعي Gaia ، فإن العينة الكبيرة المختارة بدقة والتي يستخدمها Chae وتحليله التفصيلي تجعل نتائجه قوية بما يكفي للتأهل كاكتشاف.

توصل بافل كروبا ، الأستاذ في جامعة بون وجامعة تشارلز في براغ ، إلى نفس الاستنتاجات فيما يتعلق بقانون الجاذبية. يقول: “مع هذا الاختبار على الثنائيات الكبيرة بالإضافة إلى اختباراتنا على مجموعات النجوم المفتوحة بالقرب من الشمس ، تشير البيانات الآن بشكل مقنع إلى أن الجاذبية ميلغروميان وليست نيوتونية. الآثار المترتبة على جميع الفيزياء الفلكية هائلة.

تم نشر النتيجة في عدد 1 أغسطس 2023 من ال مجلة الفيزياء الفلكية.

المرجع: “انهيار جاذبية نيوتن-أينشتاين القياسية عند التسارع المنخفض في الديناميات الداخلية للنجوم الثنائية الواسعة” بقلم كيو هيون تشاي ، 24 يوليو 2023 ، مجلة الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ace101