تأیید قانون گرانش نیوتن در مقیاس‌های عظیم کیهانی با داده‌های تلسکوپ آتاکاما

دانشمندان با استفاده از داده‌های تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما، قانون گرانش نیوتن را در مقیاس‌های بی‌سابقه، یعنی خوشه‌های کهکشانی و فاصله‌های صدها میلیون سال نوری، مورد آزمایش قرار دادند. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که گرانش در این ابعاد عظیم کیهانی، همچنان با پیش‌بینی‌های اسحاق نیوتن سازگار است و تقریباً از قانون مربع معکوس پیروی می‌کند. این کشف، نه تنها تأییدی بر یکی از بنیادی‌ترین قوانین فیزیک است، بلکه نظریه‌های جایگزین مانند دینامیک نیوتونی اصلاح‌شده (MOND) را با چالش جدی مواجه می‌کند.

آزمایش گرانش در ابعاد کهکشانی

پژوهشگران برای این مطالعه، موقعیت و سرعت حرکت صدها هزار خوشه کهکشانی را به همراه اثر تابش زمینه کیهانی مورد بررسی قرار دادند. داده‌های جمع‌آوری‌شده حاکی از آن است که وابستگی گرانش به فاصله، با توانی حدود ۲٫۱ سازگار است که این رقم بسیار نزدیک به پیش‌بینی نیوتن است. این یافته، قانون مربع معکوس را که پیش‌تر در آزمایش‌های زمینی و مقیاس منظومه شمسی تأیید شده بود، به ابعادی بی‌سابقه گسترش می‌دهد.

پریاموادا ناتاراجان، اخترفیزیک‌دان دانشگاه ییل، تأکید می‌کند که این نتیجه اگرچه غیرمنتظره نیست، اما اهمیت فراوانی دارد؛ زیرا برای اولین بار قانون گرانش نیوتن در مقیاس‌های کیهانی بررسی شده و می‌تواند نظریه MOND را به چالش بکشد. نظریه MOND تلاش می‌کند تا بدون نیاز به مفهوم ماده تاریک، رفتار گرانش در کهکشان‌ها را توضیح دهد.

تاریخچه و مبانی قانون گرانش

اسحاق نیوتن قانون جهانی گرانش را در سال ۱۶۸۷ در اثر مشهور خود با عنوان «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» منتشر کرد. این قانون توانست حرکت سیارات را بر اساس قوانین تجربی یوهانس کپلر توضیح دهد. حدود یک قرن بعد، هنری کاوندیش این قانون را در آزمایشگاه با استفاده از ترازوی پیچشی تأیید کرد. امروزه نیز نسخه‌های دقیق‌تری از این آزمایش‌ها برای بررسی احتمال وجود نیروهای جدید در فواصل بسیار کوتاه انجام می‌شود.

روش‌شناسی پژوهش جدید

در پژوهش اخیر، دانشمندان با استفاده از تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما در شیلی، قانون نیوتن را در بزرگ‌ترین ساختارهای جهان، یعنی خوشه‌های کهکشانی، آزمایش کردند. هر خوشه کهکشانی می‌تواند شامل صدها کهکشان باشد که تحت تأثیر گرانش متقابل در کنار هم قرار گرفته‌اند. جرم یک خوشه ممکن است به حدود یک کوادریلیون برابر جرم خورشید برسد و ابعادی در حد ده‌ها میلیون سال نوری داشته باشد.

پژوهشگران داده‌های صدها هزار خوشه کهکشانی را با ترکیب دو نوع اندازه‌گیری مستقل تحلیل کردند: موقعیت فضایی و سرعت حرکت آن‌ها. همان‌طور که سیارات نزدیک‌تر به خورشید سریع‌تر حرکت می‌کنند، خوشه‌های کهکشانی نیز اگر به یکدیگر نزدیک‌تر باشند، سرعت نسبی بیشتری دارند. این رابطه میان فاصله و سرعت نسبی می‌تواند اطلاعات مستقیمی درباره ماهیت گرانش ارائه دهد.

برای حل پیچیدگی‌های محاسباتی، پژوهشگران 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 شد تا بتوانند سرعت نسبی جفت‌های خوشه‌ای را در فواصل مختلف پیش‌بینی کنند.

برای جلوگیری از تأثیر انبساط جهان و انرژی تاریک، تنها خوشه‌هایی مورد بررسی قرار گرفتند که بین ۵٫۶ تا ۷٫۷ میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارند. شتاب‌های اندازه‌گیری شده بسیار کوچک، در حدود ۱۰ فمتومتر بر مجذور ثانیه، بودند که تقریباً یک کوادریلیون برابر ضعیف‌تر از شتاب گرانشی زمین است.

نتایج و چالش‌ها برای نظریه‌های جایگزین

نتیجه نهایی این پژوهش نشان داد که گرانش در مقیاس‌های ۸۰ تا ۸۰۰ میلیون سال نوری همچنان از قانون مربع معکوس نیوتن پیروی می‌کند و وابستگی آن به فاصله به توان حدود ۲٫۱ نزدیک است. این تأیید دقیق از قانون کلاسیک گرانش در بزرگ‌ترین مقیاس‌های قابل مشاهده، دستاوردی مهم محسوب می‌شود.

این یافته‌ها برای نظریه دینامیک نیوتونی اصلاح‌شده (MOND) چالش‌برانگیز است. نظریه MOND که در دهه ۱۹۸۰ مطرح شد، تلاش می‌کند تا بدون فرض وجود ماده تاریک، رفتار غیرعادی چرخش کهکشان‌ها را توضیح دهد. این نظریه 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 به جای توان دو، به صورت تقریباً خطی باشد. نتایج جدید چنین رفتاری را نشان نمی‌دهند و بنابراین این نظریه را بیش از پیش به چالش می‌کشند.

آینده پژوهش‌های کیهان‌شناسی

پژوهشگران تأکید می‌کنند که این مطالعه نه تنها آزمونی مهم برای قانون گرانش است، بلکه قدرت روش اندازه‌گیری سرعت خوشه‌های کهکشانی با استفاده از اثر سونیائف زلدوویچ را نیز نشان می‌دهد. کیهان‌شناسان معتقدند که نسل بعدی ابزارها، مانند رصدخانه سیمونز که در حال 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.