جاذبه بیشتر به عنوان نیرویی شناخته می شود که اجسام را به سمت زمین می کشد، اما نقش آن بسیار فراتر از سقوط سیب است. در جهان، گرانش به عنوان یک چارچوب نامرئی عمل می کند که بر نحوه شکل گیری و تکامل کهکشان ها، خوشه های کهکشانی و بزرگترین ساختارهای کیهانی تأثیر می گذارد.
با این حال، برای دهه‌ها، اخترشناسان با مشاهداتی مواجه شده‌اند که به نظر می‌رسد با آنچه که دیده می‌شود مطابقت ندارد. برخی از ستارگان و کهکشان ها بسیار سریعتر از آن چیزی که جرم ظاهری آنها توضیح می دهد حرکت می کنند. این رمز و راز کیهان شناسانی مانند پاتریسیو آ. گالاردو، محقق دانشگاه پنسیلوانیا را به تحقیق در مورد اینکه آیا قوانین گرانش که توسط اسحاق نیوتن و آلبرت انیشتین ایجاد شده است، در همه جای جهان معتبر باقی می مانند یا خیر، سوق داده است.
گالاردو می گوید: «اخترفیزیک با یک ناهماهنگی بزرگ در کتاب کیهانی گرفتار شده است. وقتی به چگونگی چرخش ستارگان در کهکشان ها یا نحوه حرکت کهکشان ها در خوشه های کهکشانی نگاه می کنیم، به نظر می رسد که برخی از آنها برای مقدار ماده مرئی که در خود دارند، خیلی سریع حرکت می کنند.
به گفته گالاردو، این اختلاف به دو احتمال کاملاً متفاوت اشاره دارد. جهان ممکن است حاوی مقادیر زیادی از “ماده تاریک” نامرئی باشد که گرانش آن کشش اضافی را فراهم می کند، یا “معادلات اساسی گرانش باید اصلاح شوند.”
آزمایش گرانش در مقیاس های کیهانی بی سابقه
گالاردو و همکارانش اکنون گرانش را با استفاده از مشاهدات تلسکوپ کیهانی آتاکاما (ACT)، تلسکوپی با ارتفاع تقریباً سه تا چهار طبقه، که عمدتاً توسط محققان پن به رهبری مارک دولین ساخته شده است، در آزمایشی غیرعادی بزرگ قرار داده‌اند.
این تیم گرانش را در خوشه‌های کهکشانی که با فاصله صدها میلیون سال نوری از هم جدا شده‌اند، بررسی کردند و این بزرگترین آزمایش گرانش در مقیاسی است که تاکنون انجام شده است.
نتایج منتشر شده در نامه معاینه فیزیکی، نشان می دهد که نیروی گرانش با فاصله تقریباً همانطور که توسط معادلات نیوتن پیش بینی شده بود کاهش می یابد و بعداً در نظریه نسبیت عام اینشتین گنجانده شد.
گالاردو می‌گوید: «قانون معکوس مربع – که در قرن هفدهم توسط نیوتن پیشنهاد شد و سپس توسط نظریه نسبیت عام اینشتین وارد شد- هنوز در قرن بیست و یکم پابرجاست.
این یافته یکی از پایه های کیهان شناسی مدرن را پشتیبانی می کند. به گفته گالاردو، نشان دادن اینکه تئوری های تثبیت شده گرانش همچنان در فواصل بسیار زیاد به کار خود ادامه می دهند، مدل استاندارد کیهان شناسی را تقویت می کند. همچنین به شدت دسته ای از جایگزین ها را محدود می کند، از جمله دینامیک نیوتنی اصلاح شده (MOND)، که تلاش می کند با تغییر قوانین گرانش، حرکات کیهانی غیر معمول را توضیح دهد.
نیوتن در ابتدا رابطه درجه دوم معکوس را برای توصیف حرکت در منظومه شمسی ایجاد کرد. این اصل بیان می کند که نیروی گرانش با مجذور فاصله ای که دو جسم را از هم جدا می کند کاهش می یابد. گالاردو می‌گوید اکنون دانشمندان همین ارتباط را با استفاده از جرم‌ها و فواصل «در زمان نیوتن غیرقابل تصور» آزمایش کرده‌اند.
چرا کهکشان ها خیلی سریع حرکت می کنند
بیش از 200 میلیارد کهکشان در جهان وجود دارد و حرکت آنها مدتهاست که اخترشناسان را با معمایی جدی مواجه کرده است.
طبق تصویر واضح نیوتن، ستارگانی که دورتر از مرکز کهکشان می چرخند، باید آهسته تر حرکت کنند. مشاهدات چیزی کاملا متفاوت را نشان می دهد. ستارگان در نواحی بیرونی کهکشان ها بسیار سریعتر از مقدار ماده مرئی که به نظر می رسد قادر به حمایت گرانشی است، حرکت می کنند.
مشکل مشابهی در خوشه های کهکشانی به وجود می آید. کل کهکشان ها با سرعت هایی از میان این ساختارهای عظیم عبور می کنند که نمی توان آن را تنها با جرم مشاهده شده آنها توضیح داد.
گالاردو توضیح می دهد: «این پازل اصلی است. “یا گرانش در مقیاس های بسیار بزرگ رفتار متفاوتی دارد، یا جهان حاوی ماده اضافی است که ما نمی توانیم مستقیما آنها را ببینیم.”
نور باستانی آزمایش گرانش را ارائه می دهد
برای بررسی اینکه کدام توضیح با شواهد سازگارتر است، محققان مشاهدات ACT از پس زمینه مایکروویو کیهانی یا CMB را تجزیه و تحلیل کردند. این نور باستانی حدود 380000 سال پس از انفجار بزرگ منتشر شد و از آن زمان تاکنون در سراسر جهان سفر کرده است.
با عبور نور CMB از میان خوشه های کهکشانی عظیم، حرکت این خوشه ها باعث تغییرات کوچکی در نور می شود. ستاره شناسان می توانند این مسیرهای کم نور را شناسایی کرده و از آنها برای مطالعه حرکات خوشه ها استفاده کنند.
محققان با مطالعه این اثرات بر روی صدها هزار خوشه کهکشانی که با فاصله ده‌ها میلیون سال نوری از یکدیگر جدا شده‌اند، توانستند تعیین کنند که گرانش تا چه حد بر برخی از بزرگترین ساختارهای جهان اثر می‌گذارد.
اگر مدل‌های گرانشی اصلاح‌شده مانند MOND توضیح درستی ارائه دهند، اندازه‌گیری‌ها باید نشان دهند که گرانش با فاصله به آرامی کاهش می‌یابد.
تیم این را پیدا نکرد. در عوض، اندازه‌گیری‌ها تقریباً دقیقاً در منطقه‌ای افتادند که نظریه نیوتن و نظریه انیشتین مطابقت دارند.
از آنجایی که گرانش همانطور که پیش بینی شده بود رفتار کرد، تغییر در قانون گرانش جرم گمشده آشکار شده توسط این مشاهدات را توضیح نمی دهد. بنابراین، نتیجه این مورد را تقویت می کند که یک جزء نامرئی، ماده تاریک، کشش گرانشی اضافی را تامین می کند.
راز ماده تاریک همچنان باقی است
اگرچه این یافته‌ها شواهدی برای ماده تاریک اضافه می‌کنند، اما به یکی از بزرگترین سؤالات باقی‌مانده در فیزیک پاسخ نمی‌دهند: ماده تاریک واقعاً از چه چیزی ساخته شده است.
گالاردو می گوید: «این مطالعه شواهدی را تقویت می کند که جهان دارای یک جزء ماده تاریک است. اما ما هنوز نمی دانیم که این جزء از چه چیزی ساخته شده است.
اندازه‌گیری‌های آینده CMB، همراه با بررسی‌های کهکشانی بزرگ‌تر، باید به اخترشناسان و فیزیکدانان اجازه دهد تا گرانش را با دقت بیشتری آزمایش کنند.
گالاردو می خندد: “با بسیاری از سوالات بی پاسخ، گرانش یکی از جذاب ترین حوزه های تحقیقاتی باقی می ماند. این یک زمینه طبیعی جذاب است.”
پاتریسیو گالاردو همکار پژوهشی در گروه نجوم و فیزیک در دانشکده هنر و علوم در دانشگاه پنسیلوانیا است.
این مطالعه شامل بیش از 40 محقق که وابستگی های سازمانی در کشورهای مختلف را نمایندگی می کردند. محققان فردی که در این مطالعه مشارکت داشتند توسط کمک های مالی مختلف و آژانس های مالی ملی، از جمله مؤسسه Kavli برای فیزیک کیهان شناسی در دانشگاه شیکاگو، انجمن Simons از همکاران، بنیاد ملی علوم ایالات متحده (AST-2206088)، کمک مالی NASA ROSES 12-EUCLID12-000، سرمایه گذاری ناسا، حمایت شدند. پروژه پایه Desarrollo (ANID) FB210003، بنیاد ملی تحقیقات آفریقای جنوبی، و شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی کانادا (NSERC) از طریق کمک های مالی RGPIN-2023-05014 و DGECR-2023-00180. پشتیبانی اضافی توسط کرسی خانواده ساتون در علوم، مسیحیت و فرهنگ در دانشکده هنر و علوم دانشگاه تورنتو ارائه شد.
پروژه تلسکوپ کیهان شناسی آتاکاما (ACT) در درجه اول توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده از طریق جوایز AST-0408698، AST-0965625، و AST-1440226 به پروژه ACT، و همچنین PHY-0355328، PHY-0814379، و PHY-08143787، پشتیبانی می شود. بودجه اضافی توسط دانشگاه پرینستون، دانشگاه پنسیلوانیا، و جایزه بنیاد نوآوری کانادا (CFI) به دانشگاه بریتیش کلمبیا ارائه شد. توسعه آشکارسازها و لنزهای چند رنگ ACT توسط کمک های مالی ناسا NNX13AE56G و NNX14AB58G پشتیبانی شد و تحقیقات آشکارساز در موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) از طریق برنامه نوآوری های NIST در علم اندازه گیری حمایت شد.
