موفقیت گرانش نیوتنی اصلاح‌شده در توضیح کهکشان‌های بیضوی !

[∆ MeRzaD ∆]

نظریه‌ای که برای جایگزینی ماده تاریک ارایه شده، ویژگی‌های دورانی دو کهکشان بیوضی را با موفقیت پیش‌بینی کرده است. این کار با استفاده از نظریه دینامیک نیوتنی اصلاح شده(MOND) توسط مردهای میلگرام[1] انجام شد که اولین بار خودش 30 سال پیش این نظریه را پیشنهاد داد. با نشان دادن این که MOND را می‌توان برای توضیح ویژگی کهکشان های بیضوی پیچیده – علاوه بر کهکشان های مارپیچی بسیار ساده تر – به کار برد، میلگرام MOND را جایگزینی با ارزش برای ماده تاریک می‌داند زیرا خواص عجیب کهکشان‌ها را شرح می‌دهد.

ماده تاریک در 1933 پیشنهاد شد تا توضیح دهد چرا کهکشان‌های حاضر خوشه‌های خاصی، سریع‌تر از حالتی حرکت می‌کنند که از «ماده باریونی» قابل مشاهده آن‌ها انتظار داریم. چند دهه بعد، رفتارهای مشابهی در کهکشان‌های منفرد دیده شد: سرعت دورانی ستاره‌های خارجی به شکل تابعی از فاصله «افت نمی‌کرد»، بلکه ثابت می‌ماند. این مشاهدات مستقیما با گرانش نیوتنی در تضاد بودند؛ گرانش نیوتنی همان قدر که روی زمین یا در منظومه شمسی معتبر هستند باید در ناحیه برون کهکشانی نیز معتبر بماند. اما اگر فرض کنیم که «هاله‌ای» از ماده نامرئی در(یا حدود) ساختارهای کهکشانی وجود دارد، قانون معکوس مجذوری نیوتن بازگردانده می‌شود.

فیزیکدانان برای توضیح این بی‌نظمی‌های کهکشانی در ابتدا تلاش کردند تا اندازه گیری‌های مستقیمی از ماده تاریک انجام دهند تا دقیقا چیستی آن را دریابند که البته با موفقیت بسیار کمی همراه بود. در نتیجه، پژوهشگرانی وجود دارند که باور به وجود ماده تاریک ندارند و توضیح‌های جایگزینی برای رفتار عجیب کهکشان‌ها پیشنهاد داده‌اند.

 موفقیت چشمگیر

اکنون تحلیل جدید نشان می‌دهد که یکی از نظریات جایگزین به نام MOND، ویژگی‌های دو کهکشان بیضوی را به خوبی ماده تاریک توصیف می‌کند. MOND اصولا برای توصیف کهکشان‌های مارپیچی ارایه شد و موفقیت عظیمی در پیش‌بینی بعضی ویژگی‌های این ساختارها داشت. تعمیم آن به توضیح کهکشان‌های بیضوی می‌تواند، استدلال‌ها را به نفع این نظریه تغییر دهد. به همین دلیل، پیش‌بینی شده کهکشان‌های بیضوی توسط فرایندهای متفاوتی با کهکشان‌های مارپیچی ساخته شده‌اند و دشواری محاسبه ویژگی‎هایشان بسیار بیشتر است.

MOND در ابتدا توسط احترفیزیکدان موسسه وایزمن، مردهای میلگرام در سال 1983 پیشنهاد شد. فرض پایه نظریه این است که در شتاب‌های بسیار کوچک کمتر از 10-10 متر بر مجذور ثانیه، قانون دوم نیوتن برقرار نیست. در عوض، فرمول نیوتن اصلاح شده به نحوی است که تحت شرایطی خاص، نیروی گرانش بین دو جسم آرامتر از قانون عکس مجذوری افت می‌کند.

قابل پیش بینی است نظریه ای که قانون نیوتن را تغییر می دهد با نقدهای بسیاری روبرو شود و MOND استثنا نبود. با این همه، این نظریه جاذبه‌های انکارناپذیری داشت: همچون پیش‌بینی‌های قابل آزمون و متکی نبودن بر ماده تاریک نادیده. در سال 2004، ژاکوب بکنشتین[2] نسخه ای از MOND ارایه داد که با نظریه نسبیت عام انشیتین سازگار است و همین توجه بیشتر جامعه فیزیک را برانگیخت.

بی نیاز از ماده تاریک؟!

میلگرام در پژوهش جدید خود، هیدرواستاتیک پوشی کروی از گاز داغ و گسیل کننده اشعه اکس را در دو کهکشان بیضوی تحلیل می‌کند و نشان می‌دهد که پیش‌بینی‌های MOND معتبر هستند. میلگرام می‌گوید این امر از این رو اهمیت دارد که تصور می‌شود تحول کهکشان‌های بیضوی کاملا با کهکشان‌های مارپیچی و کهکشان‌های دیسکی متفاوت است. فکر می‌شود که کهکشان‌های بیضوی از برخورد و ادغام دو کهکشان شکل می‌گیرند. موفقیت MOND بدین معنی است که دقت پیش بینی آن نمی‌تواند تصادفی باشد و همین، نشانه‌ای از واقعیتی ژرف تر است.

استفاده از یک قانون ریاضی برای پیش بینی سرعت دورانی دو نوع کهکشان با دو نحوه شکل‌گیری، واقعیتی است که فرضیه ماده تاریک را رد می‌کند. او می‌گوید:«در تصویر ماده تاریک، کهکشان‌هایی که امروزه می‌بینیم نتیجه نهایی فرایندهای شکل‌گیری بسیار بغرنج و اتفاقی هستند. شما با کهکشان‌های کوچک آغاز می‌کنید. آن‌ها ادغام می‌شوند، برخورد‌می کنند و انفجارهایی در کهکشان روی می‌دهد. در طی این تحول طوفانی، ماده تاریک و ماده معمولی به شکل‌های بسیاری متفاوتی تحت این فرایندها قرار می‌گیرند و بنابراین شما واقعا انتظار ندارید که همبستگی واقعی بین ماده تاریک و ماده معمولی مشاهده کنید. این نقطه ضعف مهمی برای تصویر ماده تاریک است.»

دن هوپر[3]، اخترفیزیکدان و متخصص ماده تاریک از فرمی لب، می‌گوید که MOND با نشان دادن قابلیت‌های خود در کهکشان‌ها، از نقدها سربلند بیرون نخواهد آمد؛ حتی اگر کهکشان‌هایی باشند که قبلا آزموده نشده‌اند. او می‌افزاید:«من فهمیده‌ام که MOND عملکرد بسیاری خوبی در توصیف دینامیک کهکشان‌ها دارد و این مقاله نیز مثال دیگری از موفقیت MOND در مقیاس کهکشانی است. با این حال MOND در مقیاس‌های بزرگتری همچون خوشه‌های کهکشانی یا مقیاس های کیهانشناسی بزرگتر باز می ماند.» او ناهمسانگردی تابش زمینه کیهان را مثالی از آن ها می‌داند.

این پژوهش در فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسید.