Zijn de zwaartekrachtwetten van Newton verkeerd: observatiemysteries van onderzoekers?

De ontdekking kan niet verklaard worden door klassieke veronderstellingen.

Een internationaal team van astrofysici heeft een raadselachtige ontdekking gedaan tijdens het analyseren van enkele sterrenhopen. Deze ontdekking tart de zwaartekrachtwetten van Newton, schrijven de onderzoekers in hun publicatie. In plaats daarvan zijn de waarnemingen consistent met voorspellingen van een alternatieve zwaartekrachttheorie. Dit is echter controversieel onder experts. De resultaten zijn nu gepubliceerd in de Monthly Notices van de Royal Astronomical Society. De Universiteit van Bonn speelde een grote rol in het onderzoek.

In hun werk onderzochten de onderzoekers zogenaamde open sterrenhopen, niet-verbonden groepen van enkele tientallen tot enkele honderden sterren in spiraalvormige en onregelmatige sterrenstelsels. Open sterrenhopen ontstaan ​​wanneer in korte tijd duizenden sterren worden geboren in een enorme gaswolk. Wanneer het “ontsteekt”, blazen nieuwkomers uit de melkweg de overblijfselen van een gaswolk weg. Tijdens het proces breidt de massa aanzienlijk uit. Hierdoor ontstaat een losse formatie van enkele tientallen tot enkele duizenden sterren. Massa wordt bij elkaar gehouden door de zwakke zwaartekrachten die onderling werken.

“In de meeste gevallen leven open sterrenhopen slechts een paar honderd miljoen jaar voordat ze smelten”, legt professor Dr. Pavel Krupa van het Helmholtz Instituut voor Straling en Kernfysica van de Universiteit van Bonn uit. Daarbij gaan regelmatig de sterren verloren, die zich ophopen in de zogenaamde “tidal tails”. Een van deze staarten wordt achter het blok getrokken terwijl het door de ruimte reist. Op zijn beurt neemt de ander de leiding als een speerpunt.

Prof. Dr. Pavel Krupa van het Helmholtz Instituut voor Straling en Kernfysica aan de Universiteit van Bonn. Credit: Volker Lanert/Universiteit van Bonn

“Volgens de gravitatiewetten van Newton is het een kwestie van toeval welke van de staarten in de ontbrekende ster terechtkomt”, legt dr. Jan Pvalam-Altenberg van het Helmholtz Institute for Radiation and Nuclear Physics uit. “Dus beide uiteinden zouden ongeveer hetzelfde aantal sterren moeten bevatten. In ons werk konden we echter voor het eerst bewijzen dat dit niet waar is: in de groepen die we hebben bestudeerd, bevat de voorstaart altijd meer sterren dicht bij de massa dan de achterste staart”.

Er is een nieuwe methode ontwikkeld voor het berekenen van sterren

Van de miljoenen sterren die dicht bij de massa staan, was het tot nu toe bijna onmogelijk om te bepalen welke bij hun staart horen. “Om dit te doen, moet je kijken naar de snelheid en richting van de beweging en de leeftijd van elk van deze objecten”, legt Dr. Teresa Yarabkova uit. De co-auteur van het onderzoek, die promoveerde in de Kroupa-groep, is onlangs verhuisd van Europees Ruimteagentschap (ESA) voor de Europese Zuidelijke Sterrenwacht in Garching. Ze ontwikkelde een methode waarmee ze voor het eerst nauwkeurig de sterren in hun staart kon tellen. “Tot nu toe zijn er vijf open clusters bij ons in de buurt onderzocht, waaronder vier door ons”, zegt ze. “Toen we alle gegevens analyseerden, kwamen we de tegenstrijdigheid met de huidige theorie tegen. De zeer nauwkeurige onderzoeksgegevens van Gaia-missie van het Europees Ruimteagentschap daarvoor onmisbaar.”

In de Hyades-sterrenhoop (boven) is het aantal sterren (zwart) in de voorste getijdenstaart veel groter dan in de achterste. In een computersimulatie met MOND (hieronder) verschijnt een soortgelijk beeld. Krediet: AG Kroupa / Uni Bonn

Daarentegen passen observationele gegevens beter bij de theorie MOND (“Modified Newtonian Dynamics”) onder experts. “Simpel gezegd, volgens MOND kunnen sterren een groep verlaten door twee verschillende deuren”, legt Kroupa uit. “De ene leidt naar het staartgetijde, de andere naar de voorkant. De eerste is echter veel smaller dan de tweede – dus het is onwaarschijnlijk dat de ster er massa doorheen zal laten. Aan de andere kant voorspelt de zwaartekrachttheorie van Newton dat beide deuren moeten dezelfde breedte hebben “.

Sterrenhopen hebben een kortere levensduur dan de wetten van Newton voorspellen

Het team van astrofysici heeft de verwachte sterrenverdeling berekend volgens MOND. “De resultaten zijn verrassend consistent met de waarnemingen”, benadrukt Dr. Ingo Thies, die een sleutelrol speelde in de bijbehorende simulaties. Hiervoor moesten we echter onze toevlucht nemen tot relatief eenvoudige rekenmethoden. We missen momenteel de wiskundige tools om meer gedetailleerde analyses van Modified Newtoniaanse dynamica uit te voeren.” De simulaties vielen echter ook samen met waarnemingen aan de andere kant: ze voorspelden hoe lang normaal open sterrenhopen zouden blijven. Deze tijdsperiode is veel korter dan verwacht volgens “Dit verklaart een al lang bekend mysterie”, merkt Kroupa op. “Sterkerhopen in nabije sterrenstelsels lijken sneller te verdwijnen dan zou moeten.”

De MOND-theorie is echter niet onomstreden onder experts. Aangezien de gravitatiewetten van Newton onder bepaalde omstandigheden niet geldig zouden zijn, maar zouden moeten worden aangepast, zou dit ook verstrekkende gevolgen hebben voor andere gebieden van de natuurkunde. “Aan de andere kant lost het veel van de problemen op waarmee de kosmologie tegenwoordig wordt geconfronteerd”, legt Kroupa uit, die ook lid is van de interdisciplinaire onderzoeksgebieden van modellering en materie aan de universiteit van Bonn. Astrofysici onderzoeken nu nieuwe wiskundige methoden voor nauwkeurigere simulaties. Ze kunnen dan worden gebruikt om meer bewijs te vinden over de vraag of de stelling van MOND waar is of niet.

Referentie: “Asymmetrische Tidal Tails of Open Star Clusters: Stars Crossing their Brah Cluster Defy Newtonian Gravity” door Pavel Karpa, Teresa Yarabkova, Ingo Theis, Jan Pvalam-Altenberg, Benoit Famy, Henry MJ Boffin, Jörg Dabringhausen, Giacomo Beccari, Timo Beccari , Christian Boyle, Hossein Hajji, Zuven Wu, Jaroslav Hass, Akram Hosni Zunuzzi, Guillaume Thomas, Ladislav Uber en J Arsith Ambassador, 26 oktober 2022, Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stac2563

Naast de Universiteit van Bonn omvatte de studie ook de Charles University in Praag, European Southern Observatory ([{” attribute=””>ESO) in Garching, the Observatoire astronomique de Strasbourg, the European Space Research and Technology Centre (ESA ESTEC) in Nordwijk, the Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS) in Zanjan (Iran), the University of Science and Technology of China, the Universidad de La Laguna in Tenerife, and the University of Cambridge.

The study was funded by the Scholarship Program of the Czech Republic, the German Academic Exchange Service (DAAD), the French funding organization Agence nationale de la recherche (ANR), and the European Research Council ERC.