תיקון תורת היחסות: כיצד כוח הכבידה המשתנה מאתגר את איינשטיין ואת החומר האפל

מחקר חדש פורץ דרך מגלה כי עקומות סיבוב של גלקסיות נשארות שטוחות ללא הגבלת זמן, הרחק ממנה, מה שמאשר את התחזיות של תיאוריית הכבידה המתוקנת כחלופה לחומר אפל.

ממצא זה מאתגר את המודלים הקיימים של הקוסמולוגיה ומציע כי הילות החומר האפל מורחבות במידה רבה או שההבנה שלנו של תורת הכבידה זקוקה להערכה מחדש מהותית.

פריצת דרך בקוסמולוגיה

בתגלית פורצת דרך המאתגרת את ההבנה המקובלת של הקוסמולוגיה, מדענים מאוניברסיטת קייס ווסטרן רזרב חשפו ראיות חדשות שיכולות לעצב מחדש את התפיסה שלנו לגבי הקוסמוס.

טוביאס מיסטלה, חוקר פוסט-דוקטורט במחלקה לאסטרונומיה במכללה לאמנויות ומדעים של קייס ווסטרן רזרב, היה חלוץ בטכניקה מהפכנית באמצעות "עדשות כבידה" כדי להתעמק בתחום החידתי של החומר האפל. הוא גילה כי עקומות הסיבוב של גלקסיות נשארות שטוחות במשך מיליוני שנות אור ללא סוף באופק.

מדענים האמינו בעבר כי עקומות הסיבוב של גלקסיות חייבות לרדת ככל שמציצים החוצה לחלל.

מודלים קוסמיים מסורתיים מאתגרים

באופן מסורתי, התנהגותם של כוכבים בגלקסיות תמהה אסטרונומים. לפי כוח המשיכה הניוטוני, כוכבים בקצוות החיצוניים צריך להיות איטי יותר עקב ירידה במשיכה הכבידה. זה לא נצפה, מה שהוביל להסקת החומר האפל. אבל אפילו הילות חומר אפל צריכות להסתיים, ולכן עקומות סיבוב לא צריכות להישאר שטוחות ללא הגבלת זמן.

הניתוח של מיסטלה נוגד את הציפייה הזו, ומספק גילוי מדהים: השפעתו של מה שאנו מכנים חומר אפל משתרעת הרבה מעבר להערכות קודמות, ונמתחת לפחות מיליון שנות אור מהמרכז הגלקטי.

השפעה ארוכת טווח כזו עשויה להצביע על כך שחומר אפל – כפי שאנו מבינים אותו – אולי לא קיים בכלל.

"ממצא זה מאתגר את המודלים הקיימים", אמר, "המרמז על קיומם של הילות חומר אפל מורחבות מאוד או שעלינו להעריך מחדש את ההבנה שלנו את תורת הכבידה".

השלכות מהפכניות על אסטרופיזיקה

סטייסי מקגו, פרופסור ומנהלת המחלקה לאסטרונומיה במכללה לאמנויות ומדעים, אמרה כי הממצאים של מיסטלה, המיועדים לפרסום ב- מכתבי יומן אסטרופיזייםלדחוף גבולות מסורתיים.

"ההשלכות של הגילוי הזה הן עמוקות", אמר מקגו. "זה לא רק יכול להגדיר מחדש את הבנתנו את החומר האפל, אלא גם קורא לנו לחקור תיאוריות חלופיות של כוח הכבידה, ולאתגר את המרקם של האסטרופיזיקה המודרנית."

הופכים את התיאוריה של איינשטיין על ראשה

הטכניקה העיקרית שבה השתמש מיסטלה במחקרו, עדשות כבידה, היא תופעה שנחזה על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין. בעיקרו של דבר, זה מתרחש כאשר עצם מסיבי, כמו צביר גלקסיות או אפילו כוכב מסיבי בודד, מכופף את נתיב האור המגיע ממקור מרוחק. כיפוף האור הזה קורה מכיוון שמסת העצם מעוותת את מארג המרחב-זמן סביבו. כיפוף האור על ידי גלקסיות נמשך בקנה מידה גדול בהרבה מהצפוי.

כחלק מהמחקר, מיסטלה שרטט את מה שנקרא יחסי טולי-פישר על תרשים כדי להדגיש את הקשר האמפירי בין המסה הנראית לעין של גלקסיה ומהירות הסיבוב שלה.

"ידענו שהקשר הזה קיים", אמר מיסטלה. "אבל זה לא היה מובן מאליו שהיחסים יחזיקו מעמד ככל שתצאו רחוק יותר. עד כמה התנהגות זו נמשכת? זו השאלה, כי היא לא יכולה להימשך לנצח".

מיסטלה אמר שהתגלית שלו מדגישה את הצורך בחקירה ושיתוף פעולה נוספים בתוך הקהילה המדעית – ואת הניתוח האפשרי של נתונים אחרים.

הערכה מחדש של תיאוריות החומר האפל

מקגו ציין את המאמצים של הרקולאן – אך עד כה, לא מוצלח – בקהילת הפיזיקה הבינלאומית של החלקיקים כדי לזהות ולזהות חלקיקי חומר אפל.

"או שהילות החומר האפל הן הרבה יותר גדולות ממה שציפינו, או שכל הפרדיגמה שגויה", אמר מקגו. "התיאוריה שניבאה את ההתנהגות הזו מראש היא תיאוריית הכבידה המתוקנת MOND שהונחה על ידי מוטי מילגרום כחלופה לחומר אפל ב-1983. לכן, הפרשנות הברורה והשנויה במחלוקת בהכרח של תוצאה זו היא שחומר אפל הוא כימרה; אולי הראיות לכך מצביעות על איזו תיאוריה חדשה של כוח הכבידה מעבר למה שאיינשטיין לימד אותנו."