Астрофизики, анализируя некоторые звездные скопления, сделали загадочное открытие. Это открытие ставит под сомнение законы гравитации Ньютона. Вместо этого наблюдения согласуются с предсказаниями альтернативной теории гравитации. (Художественная концепция странной гравитации).
Находка не может быть объяснена с помощью классических предположений.
Международная группа астрофизиков при анализе некоторых звездных скоплений сделала загадочное открытие. Это открытие ставит под сомнение законы гравитации Ньютона, пишут исследователи в своей публикации. Вместо этого наблюдения согласуются с предсказаниями альтернативной теории гравитации. Однако это вызывает споры среди специалистов. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Большую роль в проведении исследования сыграл Боннский университет.
В своей работе исследователи изучали так называемые открытые звездные скопления, представляющие собой слабо связанные группы из нескольких десятков — нескольких сотен звезд, которые встречаются в спиральных и неправильных галактиках. Открытые скопления образуются, когда в огромном газовом облаке за короткое время рождаются тысячи звезд. В процессе «воспламенения» галактические новички сдувают остатки газового облака. При этом скопление сильно расширяется. В результате образуется рыхлое образование, состоящее из нескольких десятков — нескольких тысяч звезд. Скопление удерживается вместе за счет слабых гравитационных сил, действующих между ними.
«В большинстве случаев открытые звездные скопления живут всего несколько сотен миллионов лет, прежде чем распадаются, — объясняет профессор Павел Крупа из Института радиационной и ядерной физики имени Гельмгольца при Боннском университете. При этом они регулярно теряют звезды, которые скапливаются в двух так называемых «приливных хвостах». Один из этих хвостов тянется за скоплением по мере его перемещения в пространстве. Другой же, напротив, идет впереди, как острие копья.
Профессор д-р Павел Крупа из Института радиационной и ядерной физики имени Гельмгольца при Боннском университете. Credit: Volker Lannert / University of Bonn
«Согласно законам гравитации Ньютона, в каком из хвостов окажется потерянная звезда, зависит от случая», — поясняет д-р Ян Пфламм-Альтенбург из Института радиационной и ядерной физики имени Гельмгольца. «Таким образом, оба хвоста должны содержать примерно одинаковое количество звезд. Однако в нашей работе мы впервые смогли доказать, что это не так: в изученных нами скоплениях передний хвост всегда содержит значительно больше звезд, расположенных поблизости от скопления, чем задний хвост».
Разработан новый метод подсчета звезд
До сих пор было практически невозможно определить среди миллионов звезд, находящихся вблизи скопления, те, которые относятся к его хвостам. «Для этого необходимо посмотреть на скорость, направление движения и возраст каждого из этих объектов», — поясняет д-р Тереза Ерабкова. Соавтор статьи, получившая докторскую степень в группе Крупы, недавно перешла из Европейского космического агентства (ESA) в Европейскую южную обсерваторию в Гархинге. Она разработала метод, который позволил ей впервые точно подсчитать звезды в хвостах. «К настоящему времени вблизи нас было исследовано пять открытых скоплений, в том числе четыре — нами», — говорит она. «Когда мы проанализировали все данные, то столкнулись с противоречием с существующей теорией. Здесь не обошлось без очень точных данных космической миссии Gaia ЕКА».
Данные наблюдений, напротив, гораздо лучше согласуются с теорией, получившей среди специалистов аббревиатуру MOND («MOdified Newtonian Dynamics»). «Проще говоря, согласно MOND, звезды могут покидать скопление через две разные двери», — поясняет Крупа. «Одна ведет в задний приливной хвост, другая — в передний. Однако первая дверь гораздо уже, чем вторая, поэтому вероятность того, что звезда покинет скопление через нее, меньше». С другой стороны, теория гравитации Ньютона предсказывает, что обе двери должны быть одинаковой ширины».
Звездные скопления менее долговечны, чем предсказывают законы Ньютона
Группа астрофизиков рассчитала распределение звезд, ожидаемое в соответствии с MOND. «Полученные результаты удивительно хорошо согласуются с наблюдениями», — подчеркивает доктор Инго Тис, сыгравший ключевую роль в соответствующем моделировании. «Однако для этого нам пришлось прибегнуть к относительно простым вычислительным методам. В настоящее время мы не располагаем математическими средствами для более детального анализа модифицированной ньютоновской динамики». Тем не менее, моделирование совпало с наблюдениями и в другом отношении: Они предсказали, как долго обычно живут открытые звездные скопления. И этот срок оказался значительно короче, чем можно было бы ожидать в соответствии с законами Ньютона. «Это объясняет загадку, которая была известна уже давно», — отмечает Крупа. «А именно: звездные скопления в близлежащих галактиках, похоже, исчезают быстрее, чем должны».
Однако теория MOND не является бесспорной среди специалистов. Поскольку законы гравитации Ньютона при определенных обстоятельствах не будут действовать, а их придется модифицировать, это будет иметь далеко идущие последствия и для других областей физики. «С другой стороны, это решает многие проблемы, стоящие сегодня перед космологией», — поясняет Крупа, который также является членом трансдисциплинарных исследовательских областей «Моделирование» и «Материя» Боннского университета. В настоящее время астрофизики изучают новые математические методы для еще более точного моделирования. В дальнейшем они могут быть использованы для поиска дополнительных доказательств правильности теории MOND.
Справка: «Асимметричные приливные хвосты открытых звездных скоплений: Звезды, пересекающие прах своего скопления, бросают вызов ньютоновской гравитации» (Pavel Kroupa, Tereza Jerabkova, Ingo Thies, Jan Pflamm-Altenburg, Benoit Famaey, Henri M J Boffin, Jörg Dabringhausen, Giacomo Beccari, Timo Prusti, Christian Boily, Hosein Haghi, Xufen Wu, Jaroslav Haas, Akram Hasani Zonoozi, Guillaume Thomas, Ladislav Šubr and Sverre J Aarseth, 26 October 2022, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . DOI: 10.1093/mnras/stac2563
Помимо Боннского университета в исследовании принимали участие Карлов университет в Праге, Европейская южная обсерватория (ESO) в Гархинге, Страсбургская астрономическая обсерватория, Европейский центр космических исследований и технологий (ESA ESTEC) в Нордвейке, Институт перспективных исследований в области фундаментальных наук (IASBS) в Занджане (Иран), Китайский университет науки и технологий, Университет Ла Лагуна на Тенерифе и Университет Кембриджа.
Исследование финансировалось Стипендиальной программой Чешской Республики, Германской службой академических обменов (DAAD), французской финансовой организацией Agence nationale de la recherche (ANR) и Европейским исследовательским советом ERC.
