Гравитация по-новому: вызов теориям Ньютона и Эйнштейна
Традиционное понимание гравитации, сформировавшееся благодаря работам Ньютона и Эйнштейна, подвергается проверке новыми наблюдениями. Используя данные космической обсерватории Gaia, профессор Кю-Хюн Чэ изучил движение тысяч бинарных звезд. Полученные им результаты свидетельствуют о поведении, противоречащем устоявшимся гравитационным теориям, даже теориям темной материи и темной энергии. Если эти результаты подтвердятся, то они могут пересмотреть наши представления о силах, структурирующих Вселенную.
Гравитация - фундаментальная сила, управляющая движением небесных тел, — уже давно определена в работах Ньютона и Эйнштейна. Однако в век космических телескопов и передовых технологий наши традиционные представления подвергаются испытанию.
Недавнее исследование профессора Кю-Хюн Чэ из Университета Седжонг поставило под сомнение наше понимание гравитации. Проанализировав динамику 26 500 крупных бинарных звезд с помощью данных космической обсерватории Gaia Европейского космического агентства, Чэ выявил аномалии в орбитальных движениях звезд. Эти аномалии свидетельствуют о том, что законы гравитации Ньютона и Эйнштейна могут быть неприменимы в условиях малых ускорений.
Эти открытия могут пересмотреть наши представления о силах, структурирующих Вселенную, и подтвердить новую теорию гравитации. Его работа опубликована в журнале The Astrophysical Journal.
Бинарные звезды бросают вызов устоявшимся теориям
Бинарные звезды - это пары звезд, вращающихся друг вокруг друга. Чэ заметил, что когда эти звезды демонстрируют низкие ускорения, они проявляют интригующее поведение: их ускорение на 30-40% больше, чем предсказывают существующие модели. Точнее, хотя общая теория относительности Эйнштейна и закон гравитации Ньютона предполагают определенное ускорение для этих звезд, наблюдения показывают, что они движутся быстрее. Это позволяет предположить, что при определенных условиях малого ускорения наши современные теории могут оказаться неполными и неточными.
Слева: бинарная звездная система с вложенной внутренней бинарной системой (© Википедия). Справа: Гравитационная аномалия с малым ускорением, наблюдаемая в 20 000 двойных звезд, разбросанных на расстоянии 650 световых лет (© Кю-Хюн Чэ, 2023).
Однако эта аномалия проявляется не всегда. При ускорениях, превышающих 10 нм/с², бинарные звезды ведут себя именно так, как предсказывают теории Ньютона и Эйнштейна. Таким образом, эти наблюдения согласуются с традиционными предсказаниями при больших ускорениях, но обнаруживают существенные отклонения при меньших ускорениях. Эта двойственность поднимает фундаментальные вопросы о природе гравитации и о том, как мы ее понимаем.
Теория MOND, или альтернатива темной материи
Сорок лет назад теоретическая физика была потрясена смелым предложением Мордехая Милгрома. Столкнувшись с аномалиями, наблюдаемыми в движении галактик, которые не соответствовали предсказаниям, основанным на гравитации, как мы ее понимаем, Милгром предложил новую точку зрения. Вместо того чтобы постулировать существование невидимой темной материи для объяснения этих аномалий, он предположил, что необходимо пересмотреть само понимание гравитации.
Его теория, известная как модифицированная ньютоновская динамика (MOND), предполагает, что закон гравитации Ньютона, хорошо работающий в привычных масштабах, может потребовать модификации при крайне низких ускорениях, например, наблюдаемых во внешних областях галактик. Вместо того чтобы объяснять кривые вращения галактик присутствием темной материи, MOND предполагает, что сама гравитация может вести себя по-другому при таких низких ускорениях.
AQUAL, другая теория гравитации
В дополнение к теории MOND для объяснения гравитационных аномалий, наблюдаемых при малых ускорениях, была выдвинута еще одна теория: теория AQUAL. Название "AQUAL" происходит от "A QUAdratic Lagrangian", что означает, что она основана на конкретной математической формулировке гравитации. Эта теория была разработана совместно Мордехаем Милгромом, тем самым физиком, который создал MOND, и Якобом Бекенштейном, известным физиком, умершим в 2015 году.
Теория AQUAL - это попытка создать более фундаментальную основу для модифицированной ньютоновской динамики (MOND). Она меняет математическое описание гравитации, особенно при малых ускорениях. Основная идея заключается в том, что сила гравитации может не подчиняться стандартным ньютоновским или эйнштейновским законам, когда объекты движутся очень медленно.
Наблюдения Чэ за бинарными звездами, по-видимому, подтверждают эту теорию. Наблюдаемые им отклонения в движении звезд соответствуют тому, что предсказывает теория AQUAL. Таким образом, эти анализы являются потенциальным доказательством того, что наше нынешнее понимание гравитации нуждается в пересмотре, по крайней мере, при некоторых специфических условиях.
Последствия для космологии
Наблюдения Чэ, если они будут подтверждены научным сообществом, могут иметь глубокие последствия для нашего понимания Вселенной. Общая теория относительности Эйнштейна в настоящее время является краеугольным камнем нашего понимания гравитации, описывая, как массы искривляют пространство-время вокруг себя. Однако если аномалии, наблюдаемые при малых ускорениях, подобные тем, которые описывает MOND, подтвердятся, это будет означать, что общая теория относительности не является полной или точной при определенных условиях.
Такое подтверждение привело бы к необходимости создания новой теории, которая охватывала бы как общую относительность, так и явления, описываемые MOND. Эта расширенная теория должна будет объяснить наблюдаемые движения, не прибегая к таким понятиям, как темная материя или темная энергия.
В настоящее время темная материя и темная энергия являются неотъемлемыми элементами нашей космологической модели. В пресс-релизе Милгром отмечает: "Открытие Чэ является результатом очень сложного анализа самых современных данных. Но для такого далеко идущего открытия - а оно действительно далеко идущее - нам необходимо подтверждение независимого анализа, желательно с использованием более совершенных будущих данных".