Astronomia: badacze zagadek obserwacyjnych

Międzynarodowy zespół astrofizyków dokonał zastanawiającego odkrycia podczas analizy niektórych gromad gwiazd. Główną rolę w badaniu odegrał Uniwersytet w Bonn. Odkrycie podważa prawa grawitacji Newtona, piszą naukowcy w swojej publikacji. Zamiast tego, obserwacje są zgodne z przewidywaniami alternatywnej teorii grawitacji. Jest to jednak kontrowersyjne wśród ekspertów. Wyniki zostały teraz opublikowane w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

W swojej pracy naukowcy badali tzw. otwarte gromady gwiazd. Powstają one, gdy w krótkim czasie w ogromnym obłoku gazu rodzą się tysiące gwiazd. W trakcie „zapłonu” galaktyczni przybysze zdmuchują pozostałości obłoku gazowego. W procesie tym gromada znacznie się rozszerza. Powstaje w ten sposób luźna formacja kilkudziesięciu do kilku tysięcy gwiazd. Działające między nimi słabe siły grawitacyjne utrzymują gromadę razem.

„W większości przypadków otwarte gromady gwiazd przeżywają tylko kilkaset milionów lat, zanim się rozpuszczą” – wyjaśnia prof. dr Pavel Kroupa z Instytutu Helmholtza Fizyki Radiacyjnej i Jądrowej na Uniwersytecie w Bonn. W procesie tym regularnie tracą gwiazdy, które gromadzą się w dwóch tak zwanych „ogonach pływowych”. Jeden z tych ogonów jest ciągnięty za gromadą podczas jej podróży przez przestrzeń. Drugi, dla kontrastu, przejmuje prowadzenie jak grot włóczni.

„Zgodnie z prawami grawitacji Newtona, to kwestia przypadku, w którym z ogonów kończy się zagubiona gwiazda” – wyjaśnia dr Jan Pflamm-Altenburg z Instytutu Promieniowania i Fizyki Jądrowej im. Helmholtza. „Zatem oba ogony powinny zawierać mniej więcej taką samą liczbę gwiazd. Jednak w naszej pracy udało nam się po raz pierwszy udowodnić, że nie jest to prawda: w badanych przez nas gromadach przedni ogon zawsze zawiera znacznie więcej gwiazd znajdujących się w pobliżu gromady niż tylny ogon.”

Opracowana nowa metoda liczenia gwiazd

Do tej pory prawie niemożliwe było określenie spośród milionów gwiazd znajdujących się w pobliżu gromady tych, które należą do jej ogona. „Aby to zrobić, trzeba patrzeć na prędkość, kierunek ruchu i wiek każdego z tych obiektów” – wyjaśnia dr Tereza Jerabkova. Współautorka pracy, która zrobiła doktorat w grupie Kroupa, niedawno przeniosła się z Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) do Europejskiego Obserwatorium Południowego w Garching. Opracowała metodę, która pozwoliła po raz pierwszy dokładnie policzyć gwiazdy w ogonach. „Do tej pory w pobliżu nas zbadano pięć gromad otwartych, w tym cztery przez nas” – mówi. „Kiedy przeanalizowaliśmy wszystkie dane, natrafiliśmy na sprzeczność z dotychczasową teorią. Niezbędne do tego były bardzo dokładne dane przeglądowe z misji kosmicznej ESA Gaia.”

Natomiast dane obserwacyjne znacznie lepiej pasują do teorii, która wśród ekspertów przechodzi pod akronimem MOND („MOdified Newtonian Dynamics”). „Mówiąc prościej, według MOND gwiazdy mogą opuścić gromadę przez dwie różne bramy” – wyjaśnia Kroupa. „Jedna prowadzi do tylnego ogona pływowego, druga do przedniego. Jednak pierwsze z nich jest znacznie węższe niż drugie — więc jest mniej prawdopodobne, że gwiazda opuści gromadę przez nie. Z drugiej strony, teoria grawitacji Newtona przewiduje, że obie furty powinny mieć taką samą szerokość.”

Gromady gwiazd są krócej żyjące niż przewidują to prawa Newtona

Zespół obliczył rozkład gwiazd oczekiwany zgodnie z MOND. „Wyniki odpowiadają zaskakująco dobrze obserwacjom”, podkreśla dr Ingo Thies, który odegrał kluczową rolę w odpowiednich symulacjach. „Musieliśmy jednak uciec się do stosunkowo prostych metod obliczeniowych, aby to osiągnąć. Obecnie brakuje nam narzędzi matematycznych do bardziej szczegółowych analiz zmodyfikowanej dynamiki newtonowskiej.” Mimo to symulacje pokrywały się z obserwacjami także pod innym względem: Przewidywały, jak długo otwarte gromady gwiazd powinny typowo przetrwać. A ten przedział czasowy jest znacznie krótszy niż wynikałoby to z praw Newtona. „To wyjaśnia zagadkę, która była znana od dawna” – zaznacza Kroupa. „Mianowicie, gromady gwiazd w pobliskich galaktykach wydają się znikać szybciej niż powinny”.

Teoria MOND nie jest jednak bezsporna wśród ekspertów. Ponieważ prawa grawitacji Newtona nie obowiązywałyby w pewnych okolicznościach, lecz musiałyby zostać zmodyfikowane, miałoby to daleko idące konsekwencje także dla innych dziedzin fizyki. „Potem znowu rozwiązuje to wiele problemów, przed którymi stoi dziś kosmologia” – wyjaśnia Kroupa, który jest również członkiem Transdyscyplinarnych Obszarów Badawczych „Modelowanie” i „Materia” na Uniwersytecie w Bonn. Zespół bada teraz nowe metody matematyczne dla jeszcze dokładniejszych symulacji. Mogłyby one zostać wykorzystane do znalezienia dalszych dowodów na to, czy teoria MOND jest poprawna czy nie.

Źródło: University of Bonn