قانون گرانش نیوتن در بزرگترین آزمون تاریخ خود سر بلند شد
زومیت: آزمایشهای جدید روی حرکت خوشههای کهکشانی نشان میدهد که گرانش در مقیاسهای عظیم کیهانی همچنان با پیشبینیهای نیوتن سازگار است.
دانشمندان با استفاده از داده های تلسکوپ کیهانی آتاکاما، قانون گرانش نیوتن را در مقیاس خوشه های کهکشانی و فواصل صدها میلیون سال نوری آزمایش کردند. نتایج نشان داد که گرانش در این مقیاس های بسیار بزرگ هنوز تقریباً از قانون مربع معکوس نیوتن پیروی می کند.
برای این مطالعه، محققان از موقعیت و سرعت حرکت صدها هزار خوشه کهکشانی و اثر تابش پس زمینه کیهانی استفاده کردند. داده ها نشان داد که وابستگی گرانش به فاصله با توانی در حدود 2.1 سازگار است که بسیار نزدیک به پیش بینی نیوتن است.
در همان زمان، نتایج به طور جدی نظریه های جایگزین مانند دینامیک نیوتنی اصلاح شده را به چالش می کشد.
بیش از سه قرن پس از آنکه نیوتن قانون جهانی گرانش را پیشنهاد کرد، اکنون کیهان شناسان توانسته اند آن را در بزرگترین مقیاس های شناخته شده در جهان آزمایش و تأیید کنند. این قانون که به «قانون مربع معکوس» معروف است، می گوید که نیروی گرانش بین دو جرم با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. یعنی با افزایش فاصله، توان به سرعت کاهش می یابد.
قانون مربع معکوس قبلاً بارها در آزمایشهای زمین و همچنین در مقیاس منظومه شمسی تأیید شده است، اما تحقیقات جدید آن را به مقیاسهای بیسابقهای گسترش داده است: خوشههای کهکشانی با فاصله صدها میلیون سال نوری از هم.
به گفته پریاموادا ناتاراجان، اخترفیزیکدان دانشگاه ییل، قانون گرانش نیوتن قبلا با دقت بالایی بر روی زمین و درون کهکشان ها آزمایش شده بود، اما اکنون برای اولین بار در مقیاس کیهانی آزمایش شده است. او می گوید که این نتیجه غیرمنتظره نیست، اما می تواند نظریه های جایگزین مانند دینامیک نیوتنی اصلاح شده (MOND) را به چالش بکشد. نظریه ای که تلاش می کند رفتار گرانش را در کهکشان ها بدون نیاز به ماده تاریک توضیح دهد.
قانون نیوتن که در سال 1687 در اثر معروف او «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» منتشر شد، توانست حرکت سیارات را با استفاده از قوانین تجربی یوهانس کپلر توضیح دهد. حدود یک قرن بعد، هنری کاوندیش این قانون را در آزمایشگاه با استفاده از تعادل پیچشی تأیید کرد. آزمایشی که در آن نیروی گرانش بین اجسام کوچک با اندازه گیری پیچش یک سیم بسیار نازک اندازه گیری شد. حتی امروزه نیز نسخه های بسیار دقیق تری از همین آزمایش برای بررسی امکان نیروهای جدید در فواصل بسیار کوتاه انجام می شود.
قانون نیوتن که در سال 1687 در اثر معروف او «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» منتشر شد، توانست حرکت سیارات را با استفاده از قوانین تجربی یوهانس کپلر توضیح دهد.
در مطالعه جدید، تیمی از دانشمندان با تلسکوپ کیهانی آتاکاما در شیلی، قانون نیوتن را بر روی بزرگترین ساختارهای جهان، خوشههای کهکشانی، آزمایش کردند. هر خوشه کهکشانی می تواند شامل صدها کهکشان باشد که همگی توسط گرانش متقابل در کنار هم نگه داشته می شوند. جرم یک خوشه ممکن است به حدود یک کوادریلیون برابر جرم خورشید برسد و ابعادی معادل ده ها میلیون سال نوری داشته باشد.
به گزارش ساینس، برای این آزمایش، محققان داده های صدها هزار خوشه کهکشانی را با استفاده از دو اندازه گیری مستقل ترکیب کردند: موقعیت مکانی و سرعت آنها. همانطور که سیارات سریعتر به خورشید نزدیکتر می شوند، خوشه های کهکشانی نیز اگر به هم نزدیکتر باشند، نسبت به یکدیگر سریعتر حرکت می کنند. بنابراین، رابطه بین فاصله و سرعت نسبی می تواند اطلاعات مستقیمی در مورد ماهیت گرانش ارائه دهد.
با این حال، این رابطه را نمی توان به روشی ساده محاسبه کرد، زیرا حرکت هر خوشه نه تنها تحت تأثیر گرانش خود، بلکه تحت تأثیر گرانش همه خوشه های اطراف است. برای حل این مشکل، محققان ابتدا از داده های نقشه برداری آسمان دیجیتال اسلون (SSDSS)، که از سال 2000 میلیون ها کهکشان را نقشه برداری کرده است، برای تعیین توزیع فضایی کهکشان ها استفاده کردند. آنها سپس یک قانون توان عمومی را با پارامترهای قابل تنظیم برای این توزیع اعمال کردند تا پیشبینی کنند که چگونه سرعت نسبی جفتهای خوشه در فواصل مختلف تغییر میکند.
برای رد کردن تأثیر جهان در حال انبساط و انرژی تاریک، محققان فقط به خوشه هایی نگاه کردند که بین 5.6 تا 7.7 میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارند. آنها شتاب های بسیار کوچکی در حدود 10 فمتومتر بر ثانیه را اندازه گرفتند. مقداری که تقریباً یک چهار میلیارد بار ضعیفتر از شتاب گرانشی زمین است.
نتیجه نهایی نشان داد که گرانش در مقیاس های 80 تا 800 میلیون سال نوری همچنان از قانون مربع معکوس نیوتن پیروی می کند و وابستگی آن به فاصله نزدیک به توان 2.1 است. این نتیجه در عمل تاییدی بسیار دقیق از قانون کلاسیک گرانش در بزرگترین مقیاس های قابل مشاهده است.
یافته ها برای نظریه دینامیک نیوتنی اصلاح شده چالش برانگیز هستند. این نظریه که در دهه 1980 ارائه شد، سعی می کند رفتار غیرعادی چرخش کهکشان ها را بدون فرض وجود ماده تاریک توضیح دهد و به جای تغییر قانون گرانش، قانون دوم نیوتن (نیرو برابر است با جرم ضربدر شتاب) را در شتاب های بسیار کوچک اصلاح می کند. اما اگر MOND درست باشد، میتوان انتظار داشت که گرانش به فاصله در مقیاسهای بسیار بزرگ، تقریباً خطی باشد تا درجه دوم. نتایج جدید چنین رفتاری را نشان نمی دهند و بنابراین این نظریه را بیش از پیش به چالش می کشند.
در پایان، محققان تاکید میکنند که مطالعه آنها نه تنها یک آزمایش مهم برای قانون گرانش است، بلکه قدرت روش اندازهگیری سرعت خوشههای کهکشانی را با استفاده از اثر سونایف زلدویچ نشان میدهد. به گفته کیهان شناسان، نسل بعدی ابزارها، مانند رصدخانه سیمونز که اکنون عملیاتی شده است، اندازه گیری ها را با دقت بسیار بالاتری انجام خواهد داد و می تواند به کاوش بیشتر ماده تاریک و انرژی تاریک و تاریخچه انبساط کیهان کمک کند.
