تألق قانون الجاذبیه لنیوتن فی أکبر اختبار فی تاریخه

وبحسب ساعد نیوز، نقلاً عن فرادید، استخدم العلماء بیانات من تلسکوب علم الکونیات فی أتاکاما لاختبار قانون نیوتن للجاذبیه على مستوى عناقید المجرات وعلى مسافات تصل إلى مئات ملایین السنین الضوئیه. وأظهرت النتائج أن الجاذبیه فی هذه المقاییس الکبیره جداً لا تزال تتبع تقریباً قانون التربیع العکسی لنیوتن.

استخدم الباحثون مواقع وسرعات مئات الآلاف من عناقید المجرات، بالإضافه إلى تأثیر إشعاع الخلفیه الکونیه. وأظهرت البیانات أن اعتماد الجاذبیه على المسافه یتوافق مع أس قُدِّر بنحو 2.1، وهو قریب جداً من تنبؤ نیوتن.

وفی الوقت نفسه، تضع هذه النتائج نظریات بدیله مثل دینامیکیات نیوتن المعدّله (MOND) أمام تحدیات جدیه.

بعد أکثر من ثلاثه قرون على طرح نیوتن لقانون الجاذبیه العامه، تمکن علماء الکونیات الآن من اختباره على أکبر المقاییس المعروفه فی الکون وتأکیده. هذا القانون، المعروف باسم «قانون التربیع العکسی»، ینص على أن قوه الجاذبیه بین کتلتین تتناسب عکسیاً مع مربع المسافه بینهما؛ أی کلما زادت المسافه تقل القوه بسرعه.

وقد تم تأکید هذا القانون سابقاً فی تجارب أرضیه وکذلک على مستوى النظام الشمسی، لکن دراسه جدیده وسّعته إلى مقاییس غیر مسبوقه: عناقید مجریه تفصل بینها مئات ملایین السنین الضوئیه.

وبحسب بریامفادا ناتاراجان، عالمه الفیزیاء الفلکیه فی جامعه ییل، فقد تم اختبار قانون نیوتن بدقه عالیه على الأرض وداخل المجرات سابقاً، لکنه الآن یُختبر لأول مره على المقاییس الکونیه. وتقول إن هذه النتیجه لیست مفاجئه، لکنها قد تُشکل تحدیاً لنظریات بدیله مثل MOND التی تحاول تفسیر سلوک المجرات دون الحاجه إلى الماده المظلمه.

قانون نیوتن، الذی نُشر عام 1687 فی عمله الشهیر «المبادئ الریاضیه للفلسفه الطبیعیه»، تمکن من تفسیر حرکه الکواکب باستخدام قوانین یوهانس کبلر التجریبیه. وبعد قرن تقریباً، أکد هنری کافندیش هذا القانون فی المختبر باستخدام میزان الالتواء، حیث تم قیاس قوه الجاذبیه بین أجسام صغیره عبر قیاس التواء سلک رفیع جداً. والیوم تُستخدم نسخ أکثر دقه من التجربه نفسها لاختبار قوى جدیده محتمله على مسافات قصیره جداً.

فی الدراسه الجدیده، اختبر فریق من العلماء باستخدام تلسکوب أتاکاما الکونی فی تشیلی قانون نیوتن على أکبر البنى فی الکون، أی عناقید المجرات. یمکن لکل عنقود أن یحتوی على مئات المجرات المرتبطه معاً بفعل الجاذبیه المتبادله. وقد تصل کتله العنقود إلى نحو کوادریلیون مره کتله الشمس، وبأحجام تمتد لعشرات ملایین السنین الضوئیه.

وبحسب مجله ساینس، جمع الباحثون بیانات مئات الآلاف من عناقید المجرات باستخدام نوعین مستقلین من القیاسات: مواقعها فی الفضاء وسرعات حرکتها. وکما أن الکواکب الأقرب إلى الشمس تتحرک بسرعه أکبر، فإن العناقید الأقرب إلى بعضها تتحرک نسبیاً بسرعه أکبر. لذلک فإن العلاقه بین المسافه والسرعه النسبیه یمکن أن تقدم معلومات مباشره عن طبیعه الجاذبیه.

لکن هذه العلاقه لیست سهله الحساب، لأن حرکه کل عنقود لا تتأثر بجاذبیته فقط بل بجاذبیه جمیع العناقید المحیطه به. ولحل ذلک استخدم الباحثون بیانات من مسح سلووان الرقمی للسماء (SDSS) الذی قام منذ عام 2000 برصد ملایین المجرات لتحدید التوزیع المکانی لها. ثم طبقوا قانون قوه عام بمعاملات قابله للتعدیل للتنبؤ بکیفیه تغیر السرعات النسبیه بین أزواج العناقید عند مسافات مختلفه.

ولتجنب تأثیر تمدد الکون والطاقه المظلمه، تم اختیار عناقید تقع على مسافات بین 5.6 و7.7 ملیار سنه ضوئیه من الأرض فقط. وتم قیاس تسارعات صغیره جداً تبلغ نحو 10 فیمتومتر لکل ثانیه مربعه، وهی أضعف بحوالی کوادریلیون مره من تسارع الجاذبیه على الأرض.

وأظهرت النتیجه النهائیه أن الجاذبیه على مقاییس تتراوح بین 80 و800 ملیون سنه ضوئیه لا تزال تتبع قانون التربیع العکسی لنیوتن، مع أس یقارب 2.1. وتعد هذه النتیجه تأکیداً دقیقاً للغایه للقانون الکلاسیکی للجاذبیه على أکبر المقاییس القابله للرصد.

وتشکل هذه النتائج تحدیاً لنظریه الدینامیکیات النیوتونیه المعدله (MOND)، التی طُرحت فی الثمانینیات لمحاوله تفسیر دوران المجرات غیر الطبیعی دون افتراض وجود ماده مظلمه، عبر تعدیل قانون نیوتن الثانی عند التسارعات الصغیره جداً. لکن لو کانت هذه النظریه صحیحه، لکان من المتوقع أن یصبح اعتماد الجاذبیه على المسافه أقرب إلى علاقه خطیه بدلاً من التربیعیه على المقاییس الکبیره جداً، وهو ما لا تظهره النتائج الجدیده.

وفی الختام، یؤکد الباحثون أن دراستهم لا تمثل فقط اختباراً مهماً لقانون الجاذبیه، بل تُظهر أیضاً قوه قیاس سرعات عناقید المجرات باستخدام تأثیر سونیاییف-زیلدوفیتش. ویتوقع علماء الکون أن توفر أدوات الجیل القادم مثل مرصد سیمونز دقه أعلى بکثیر، مما سیساعد فی دراسه الماده المظلمه والطاقه المظلمه وتاریخ تمدد الکون بشکل أدق.