قانون گرانش نیوتن در بزرگ‌ترین آزمون تاریخ خود سربلند شد

خلاصه مقاله:

• دانشمندان با استفاده از داده‌های تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما قانون گرانش نیوتن را در مقیاس خوشه‌های کهکشانی و فاصله‌های صدها میلیون سال نوری آزمایش کردند. نتایج نشان داد که گرانش در این مقیاس‌های بسیار بزرگ همچنان تقریباً از قانون مربع معکوس نیوتن پیروی می‌کند.
• پژوهشگران برای این مطالعه از موقعیت و سرعت حرکت صدها هزار خوشه کهکشانی و اثر تابش زمینه کیهانی استفاده کردند. داده‌ها نشان دادند وابستگی گرانش به فاصله با توان حدود ۲٫۱ سازگار است که بسیار نزدیک به پیش‌بینی نیوتن است.
• نتایج در عین حال نظریه‌های جایگزین مانند دینامیک نیوتونی اصلاح‌شده را با چالش جدی روبه‌رو می‌کند.

بیش از سه قرن پس از آنکه نیوتن قانون جهانی گرانش را پیشنهاد کرد، کیهان‌شناسان اکنون توانسته‌اند آن را در بزرگ‌ترین مقیاس‌های شناخته‌شده در جهان آزمایش و تأیید کنند. این قانون که به «قانون مربع معکوس» معروف است، می‌گوید نیروی گرانش بین دو جرم با مجذور فاصله میان آن‌ها نسبت معکوس دارد؛ یعنی هرچه فاصله بیشتر شود، نیرو به‌سرعت کاهش پیدا می‌کند.

قانون مربع معکوس پیش‌تر در آزمایش‌های زمینی و همچنین در مقیاس منظومه شمسی بارها تأیید شده بود، اما پژوهشی جدید آن را به مقیاس‌هایی بی‌سابقه گسترش داده است: خوشه‌های کهکشانی که صدها میلیون سال نوری از یکدیگر فاصله دارند.

به گفته پریاموادا ناتاراجان، اخترفیزیک‌دان دانشگاه ییل، قانون گرانش نیوتن پیش‌تر با دقت بالا در زمین و درون کهکشان‌ها آزمایش شده بود، اما اکنون برای نخستین بار در مقیاس‌های کیهانی نیز بررسی شده است. او می‌گوید این نتیجه غیرمنتظره نیست، اما می‌تواند نظریه‌های جایگزین مانند دینامیک نیوتونی اصلاح‌شده (MOND) را به چالش بکشاند؛ نظریه‌ای که تلاش می‌کند بدون نیاز به ماده تاریک، رفتار گرانش در کهکشان‌ها را توضیح دهد.

قانون نیوتن که سال ۱۶۸۷ در اثر مشهور او به نام «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 ترازوی پیچشی تأیید کرد؛ آزمایشی که در آن با اندازه‌گیری پیچش یک سیم بسیار نازک، نیروی گرانش میان اجسام کوچک سنجیده می‌شد. امروزه نیز نسخه‌های بسیار دقیق‌تری از همان آزمایش برای بررسی احتمال وجود نیروهای جدید در فواصل بسیار کوتاه انجام می‌شود.

به‌گزارش ساینس، پژوهشگران برای انجام آزمایش، داده‌های صدها هزار خوشه کهکشانی را با استفاده از دو نوع اندازه‌گیری مستقل ترکیب کردند: موقعیت فضایی آن‌ها و سرعت حرکتشان. همان‌طور که سیارات نزدیک‌تر به خورشید سریع‌تر حرکت می‌کنند، خوشه‌های کهکشانی نیز اگر به یکدیگر نزدیک‌تر باشند، نسبت به هم سرعت بیشتری دارند. بنابراین رابطه میان فاصله و سرعت نسبی می‌تواند اطلاعات مستقیمی درباره ماهیت گرانش ارائه دهد.

بااین‌حال، این رابطه به‌صورت ساده قابل محاسبه نیست، زیرا حرکت هر خوشه نه تنها تحت تأثیر گرانش خودش، بلکه تحت تأثیر گرانش تمام خوشه‌های اطراف نیز قرار دارد. برای حل مسئله، پژوهشگران ابتدا از داده‌های نقشه‌برداری آسمانی دیجیتال اسلون (SSDSS) که از سال ۲۰۰۰ تاکنون میلیون‌ها کهکشان را نقشه‌برداری کرده، برای تعیین توزیع فضایی کهکشان‌ها استفاده کردند. سپس یک قانون عمومی برای نیرو، با پارامترهای قابل تنظیم، روی این توزیع اعمال کردند تا بتوانند پیش‌بینی کنند سرعت نسبی جفت‌های خوشه‌ای در فواصل مختلف چگونه تغییر می‌کند.

در مرحله بعد، پیش‌بینی‌ها با داده‌های سرعت واقعی که توسط تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما (ACT) در بازه زمانی ۲۰۰۷ تا ۲۰۲۲ جمع‌آوری شده بود، مقایسه شد. این تلسکوپ تابش زمینه کیهانی (CMB)، یعنی باقی‌مانده نور ناشی از بیگ‌بنگ را اندازه‌گیری می‌کند و به‌ویژه در شناسایی خوشه‌های کهکشانی بسیار دقیق است.

یکی از ابزارهای مهم پژوهش، پدیده‌ای به نام «اثر سونیائف زلدوویچ» است. زمانی که فوتون‌های تابش زمینه کیهانی از میان یک خوشه کهکشانی عبور می‌کنند، با الکترون‌های موجود در آن برخورد می‌کنند و بسته به حرکت خوشه نسبت به زمین، انرژی آن‌ها کمی افزایش یا کاهش می‌یابد. این تغییر بسیار ظریف به دانشمندان امکان می‌دهد سرعت حرکت خوشه‌ها را اندازه‌گیری کنند. به گفته پاتریسیو گالاردو، کیهان‌شناس دانشگاه پنسیلوانیا و نویسنده اصلی مقاله، این دقیق‌ترین بخش داده‌های آن‌ها بوده است.

برای جلوگیری از تأثیر انبساط جهان و انرژی تاریک، پژوهشگران فقط خوشه‌هایی را بررسی کردند که بین ۵٫۶ تا ۷٫۷ میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارند. آن‌ها شتاب‌هایی بسیار کوچک در حدود ۱۰ فمتومتر بر مجذور ثانیه اندازه‌گیری کردند؛ مقداری که تقریباً یک کوادریلیون برابر ضعیف‌تر از شتاب گرانشی زمین است.

یافته‌ها برای نظریه دینامیک نیوتونی اصلاح‌شده چالش‌برانگیز هستند. این نظریه که در دهه ۱۹۸۰ مطرح شد، تلاش می‌کند بدون فرض وجود ماده تاریک، رفتار غیرعادی چرخش کهکشان‌ها را توضیح دهد و به جای تغییر در قانون گرانش، قانون دوم نیوتن (نیرو برابر است با جرم ضربدر شتاب) را در شتاب‌های بسیار کوچک اصلاح می‌کند. اما اگر MOND درست بود، انتظار می‌رفت در مقیاس‌های بسیار بزرگ، وابستگی گرانش به فاصله به‌جای توان دو، به‌صورت تقریباً خطی باشد. نتایج جدید چنین رفتاری را نشان نمی‌دهند و بنابراین این نظریه را بیش از پیش به چالش می‌کشند.

در پایان، پژوهشگران تأکید می‌کنند که مطالعه‌شان تنها آزمونی مهم برای قانون گرانش نیست، بلکه نشان‌دهنده قدرت روش اندازه‌گیری سرعت خوشه‌های کهکشانی با استفاده از اثر سونیائف زلدوویچ است. به گفته کیهان‌شناسان، نسل بعدی ابزارها مانند رصدخانه سیمونز که درحال آغاز فعالیت است، اندازه‌گیری‌ها را با دقت بسیار بالاتری انجام خواهد داد و می‌تواند به بررسی دقیق‌تر ماده تاریک و انرژی تاریک و تاریخچه انبساط جهان کمک کند.

پژوهش در ژورنال Physical Review Letters منتشر شده است.