นักวิทยาศาสตร์ยืนยันทฤษฎีแรงโน้มถ่วงทางเลือก: ทำไมมันจึงเปลี่ยนฟิสิกส์

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้สังเกตเห็นพฤติกรรมลึกลับของกระจุกดาวที่ดูเหมือนจะท้าทายเรา

ความเข้าใจเรื่องแรงโน้มถ่วงในอวกาศในปัจจุบันมาตราส่วน. สิ่งที่น่าสนใจคือการสังเกตการณ์สอดคล้องกับทฤษฎีแรงโน้มถ่วงอีกทฤษฎีหนึ่งที่ปฏิเสธความจำเป็นในการมีสสารมืด อย่างไรก็ตาม นี่เป็นข้อขัดแย้งในหมู่ผู้เชี่ยวชาญ

จักรวาลทำงานอย่างไร?

ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงคลาสสิกของนิวตันคือกฎอธิบายอันตรกิริยาโน้มถ่วงภายในกรอบของกลศาสตร์คลาสสิก ตามทฤษฎีของนิวตัน วัตถุขนาดใหญ่ทุกอันจะสร้างสนามแรงดึงดูดเข้าหามัน เรากำลังพูดถึงสนามโน้มถ่วง

ปฏิกิริยาโน้มถ่วงในทฤษฎีของนิวตันแพร่กระจายได้ทันที เนื่องจากแรงโน้มถ่วงขึ้นอยู่กับตำแหน่งสัมพัทธ์ในการดึงดูดวัตถุในช่วงเวลาที่กำหนดเท่านั้น

ยังรับผิดชอบต่อสิ่งที่เกิดขึ้นในจักรวาลของเราด้วยและสสารมืด ไม่มีส่วนร่วมในการโต้ตอบทางแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นจึงไม่สามารถสังเกตโดยตรงได้ สสารมืดคิดเป็นประมาณ 25% ของพลังงานมวลของจักรวาลและปรากฏเฉพาะในปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ไม่ใช่นักวิทยาศาสตร์ทุกคนจะพอใจกับความจริงที่ว่าสิ่งนี้ไม่สามารถสังเกตได้ นักฟิสิกส์บางคนปฏิเสธสสารมืดและโครงสร้างที่ยอมรับของจักรวาล พวกเขาพูดถึงการไม่มีแรงโน้มถ่วงและการบิดเบือนของกาล-อวกาศ และเสนอทางเลือกอื่น ตัวอย่างเช่น ทฤษฎี MOND (อังกฤษ: Modified Newtonian Dynamics, modified Newtonian Dynamics)

ทางเลือกคืออะไร?

ตามทฤษฎี MOND หรือทฤษฎีแรงโน้มถ่วงทางเลือก กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันสามารถแก้ไขได้เพื่ออธิบายการหมุนของดาราจักรโดยไม่เกี่ยวข้องกับสสารมืด

โดยพื้นฐานแล้ว ทฤษฎี MOND เป็นทางเลือกแทนทฤษฎีทั่วไปทฤษฎีสัมพัทธภาพ ไอน์สไตน์ประดิษฐ์มันขึ้นเพื่ออธิบายว่าแรงโน้มถ่วงทำงานอย่างไร และเหตุใดสสารมืดจึงมีอยู่ซึ่งรวมกาแลคซีไว้ด้วยกัน

ศาสตราจารย์ Pavel Krupa และทีมของเขาพบหลักฐานการมีอยู่ของทฤษฎีแรงโน้มถ่วงทางเลือก
รูปถ่าย: Volker Lannert/มหาวิทยาลัยบอนน์

MOND มีจุดมุ่งหมายเพื่ออธิบายว่าทำไมวัตถุต่าง ๆ ในจักรวาลมีมวลต่างกันโดยไม่ใช้แนวคิดเรื่องสสารมืด มันถูกเสนอในช่วงต้นทศวรรษ 1980 โดย Mordechai Milgrom นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวอิสราเอล ทฤษฎีนี้ปรับเปลี่ยนกฎของแรงโน้มถ่วง โดยอ้างถึงแรงที่แรงกว่าในบางพื้นที่ของอวกาศ ดังนั้นจึงอธิบายความโค้งของอวกาศได้

นักวิทยาศาสตร์หาคำตอบได้จากที่ใด?

ผู้เขียนการศึกษาใหม่ศึกษาเรื่องเหม่อลอยกระจุกดาว ก่อตัวขึ้นเมื่อดาวฤกษ์หลายพันดวงเกิดในช่วงเวลาอันสั้นในกลุ่มเมฆก๊าซขนาดมหึมา ขณะที่พวกมัน "จุดไฟ" พวกมันจะพัดเอาเศษเมฆก๊าซที่เหลืออยู่ออกไป ส่งผลให้กระจุกดาวขยายตัวอย่างมาก สิ่งนี้สร้างชั้นหิน "หลวม" ที่ประกอบด้วยดาวไม่กี่หมื่นดวงไปจนถึงหลายพันดวง แรงโน้มถ่วงที่อ่อนแอซึ่งกระทำระหว่างพวกมันจับสมาชิกกระจุกดาวไว้ด้วยกัน

ในกรณีส่วนใหญ่ดาวกระจายกระจุกดาวเหล่านี้คงอยู่เพียงไม่กี่ร้อยล้านปีก่อนที่จะสลายไป ในขณะเดียวกัน พวกมันก็สูญเสียดาวเป็นประจำ ซึ่งสะสมเป็นสองสิ่งที่เรียกว่า "หางน้ำขึ้นน้ำลง" หนึ่งในนั้นเอื้อมมือไปที่กระจุกขณะที่มันเดินทางผ่านอวกาศ ในทางกลับกัน ยึดเอา "ความคิดริเริ่ม" และทำงานเป็น "หัวหอก"

ความไม่ลงรอยกันคืออะไร?

ตามกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน คำถามที่ว่าส่วนหางของดาวที่หายไปนั้นจะขึ้นอยู่กับกรณี ดังนั้นทั้งสองจึงควรมีจำนวนดาวเท่ากันโดยประมาณ อย่างไรก็ตาม นับเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ที่นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์แล้วว่าไม่เป็นเช่นนั้น พวกเขาศึกษากระจุกดาวและสังเกตว่าหาง "ด้านหน้า" มีดาวมากกว่าหาง "ด้านหลัง" เสมออย่างไร

จนถึงขณะนี้แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะระบุในบรรดาดาวหลายล้านดวงที่อยู่ใกล้กระจุกดาวนั้นมีดาวที่อยู่บริเวณส่วนหางของมันด้วย ในการทำเช่นนี้ คุณต้องใส่ใจกับความเร็ว ทิศทางการเคลื่อนไหว และอายุของวัตถุแต่ละชิ้นเหล่านี้ เพื่อแก้ปัญหานี้ ผู้เขียนการศึกษาใหม่ได้พัฒนาวิธีการที่ทำให้พวกเขานับดวงดาวที่หางได้อย่างแม่นยำเป็นครั้งแรก

ในกระจุกดาวไฮยาเดส (บน) จำนวนดาว (สีดำ) ในหางน้ำขึ้นน้ำลงนำมากกว่าในหางน้ำขึ้นน้ำลงอย่างมีนัยสำคัญ
การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์โดยใช้ MOND (ด้านล่าง) แสดงภาพที่คล้ายกัน เครดิต: University of Bonn

ในขณะนี้ มีการสำรวจกระจุกดาวเปิดจำนวน 5 กระจุกดาวใกล้โลก โดย 4 กระจุกดาวอยู่ใกล้โลกมากที่สุด เมื่อนักวิทยาศาสตร์วิเคราะห์ข้อมูลทั้งหมด พวกเขาต้องเผชิญกับความขัดแย้งกับทฤษฎีปัจจุบัน

เชื่อมต่อกับทฤษฎีอื่น

ข้อมูลเชิงสังเกตใหม่ดีกว่ามากสอดคล้องกับทฤษฎี MOND ตามข้อมูลดังกล่าว ดวงดาวสามารถออกจากกระจุกดาวได้ “ผ่านประตูสองบานที่แตกต่างกัน” นักวิทยาศาสตร์อธิบาย “อันหนึ่งนำไปสู่หางน้ำขึ้นน้ำลง “ด้านหลัง” และอีกอันนำไปสู่หางน้ำขึ้นน้ำลง “ด้านหน้า” อย่างไรก็ตาม กระจุกแรกแคบกว่ากระจุกที่สองมาก ดังนั้นจึงไม่น่าเป็นไปได้ที่ดาวฤกษ์จะหลุดพ้นกระจุกดาวออกไป ในทางกลับกัน ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันทำนายว่า "ประตู" ทั้งสองควรมีความกว้างเท่ากัน" นักฟิสิกส์เขียน

th.freepik.com

นักฟิสิกส์ได้คำนวณการกระจายตัวของดาวฤกษ์คาดหวังตามทฤษฎี MOND ผลลัพธ์ที่ได้กลับกลายเป็นว่าสอดคล้องกับข้อสังเกตที่ดีอย่างน่าประหลาดใจ อย่างไรก็ตาม ในการทำเช่นนี้ นักฟิสิกส์ต้องใช้วิธีคำนวณที่ค่อนข้างง่าย ขณะนี้พวกเขาขาดเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ในการวิเคราะห์ไดนามิกของนิวตันที่ถูกดัดแปลงในรายละเอียดเพิ่มเติม

บรรทัดล่างคืออะไร?

อย่างไรก็ตาม การจำลองก็ตรงกันเช่นกันโดยมีข้อสังเกตในด้านอื่นๆ พวกเขาทำนายว่ากระจุกดาวเปิดโดยทั่วไปจะอยู่ได้นานแค่ไหน และช่วงเวลานี้สั้นกว่าที่คาดไว้ตามกฎของนิวตันหลายเท่า สิ่งนี้อธิบายความลึกลับที่รู้จักกันมานาน กล่าวคือ เหตุใดกระจุกดาวในกาแลคซีใกล้เคียงจึงหายไปเร็วกว่าที่ควรจะเป็น

อย่างไรก็ตาม ทฤษฎี MOND ก็ไม่ใช่ประเด็นที่โต้แย้งได้ผู้เชี่ยวชาญ เนื่องจากกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน "ไม่ทำงาน" ในบางกรณี จึงจำเป็นต้องเปลี่ยนกฎเหล่านี้ ทั้งหมดนี้มีผลกระทบอย่างกว้างขวางต่อฟิสิกส์สาขาอื่น

ในทางกลับกันสิ่งนี้ช่วยแก้ปัญหาได้หลายอย่างปัญหาที่จักรวาลวิทยาเผชิญอยู่ทุกวันนี้ ขณะนี้ผู้เขียนงานวิจัยกำลังสำรวจวิธีการทางคณิตศาสตร์ใหม่ๆ เพื่อการสร้างแบบจำลองที่แม่นยำยิ่งขึ้น จากนั้นสามารถใช้เพื่อค้นหาหลักฐานเพิ่มเติมว่าทฤษฎี MOND ถูกต้องหรือไม่

อ่านเพิ่มเติม:

นักโบราณคดีได้ยืนยันตำนานจากพระคัมภีร์อย่างเป็นทางการแล้ว

ปรากฎว่าเกิดอะไรขึ้นกับเซลล์ของร่างกายเมื่อหัวใจตาย

สัญญาณ Starlink ถูกแฮ็กเพื่อใช้เป็นทางเลือกแทน GPS