Þegar við sendum gervihnött á braut um jörðu reiknum við ferð hans með aðstoð jöfnu sem er meira en 300 ára gömul. Þessa jöfnu köllum við þyngdarlögmál Newtons.
Við reiðum okkur með fullri vissu á jöfnuna og vísindamenn nota hana ennþá sem grunn, þegar þeir rannsaka hreyfingar stjarna og stjörnuþoka.
En nýjar athuganir sýna að sumar stjörnur í Vetrarbrautinni virðast hreyfast með hætti sem stríðir gegn þyngdarlögmáli Newtons.
Annað hvort eru gögnin röng eða þau þurfa frekari greiningar við – eða þá að hið óhugsanlega gæti allt í einu verið mögulegt: Kannski hafði Newton ekki rétt fyrir sér.
Nokkrir djarfir vísindamenn telja nú að við verðum að hætta að styðjast við þyngdarlögmál Newtons og innleiða nýja kenningu.
Hafi þeir rétt fyrir sér getum við einnig varpað hugmyndinni um hið dularfulla hulduefni fyrir róða en það á ríkan þátt í að skilgreina viðtekið líkan í heimsfræðunum.
Hulduefni bjargaði þyngdarlögmálinu
Isaac Newton birti þann 5. júlí 1687 sína byltingarkenndu bók „Stærðfræðilögmál náttúruspekinnar“.
Þar útskýrir vísindamaðurinn að tveir hlutir toga hvor í annan í krafti massa síns og að krafturinn dvínar allt eftir því sem fjarlægðin milli þeirra eykst.
Í hvert sinn sem fjarlægðin tvöfaldast fellur aðdrátturinn um fjórðung. Og lögmál þetta gildir samkvæmt Newton um gjörvallan alheim.
LESTU EINNIG
Albert Einstein byggði frekar á þyngdarlögmáli Newtons með almennu afstæðiskenningu sinni frá árinu 1915. Þar útskýrði hann nákvæmlega hvernig aðdráttarafl massa verkar: Þungir hlutir sveigja rúmið í kringum sig. Þyngdarsvið jarðar myndar þannig eins konar holu í rúminu og tunglið rúllar í kringum jörðina eins og kúla í rúllettuspili.
Einstein var sammála Newton um að aðdrátturinn milli tveggja massa minnkar um fjórðung þegar fjarlægðin milli þeirra tvöfaldast.
Þessi viðteknu sannindi hlutu nokkkurn andbyr árið 1970 þegar bandaríski stjarnfræðingurinn Vera Rubin gerði undraverða uppgötvun: Stjörnuþokurnar snúast svo hratt að ystu stjörnurnar ættu að þeytast út í geim eins og dropar í þeytivindu, ef þyngdarkrafturinn minnkaði jafn mikið og Newton og Einstein staðhæfðu.
Rubin ályktaði að stjörnuþokurnar væru umluktar skýi af ósýnilegu hulduefni með gríðarlegan massa sem heldur aftur af ystu stjörnunum með þyngdarkrafti sínum.
LESTU EINNIG
Þetta hulduefni gat útskýrt snúning stjörnuþokanna og bjargað þyngdarlögmálinu sem stóð annars ógn af athugunum Rubins.
Frá þessum tíma hefur hulduefnið verið einn grunnþáttur í nánast öllum stjarnfræðilegum athugunum.
Þar til núna.
Uppreisnarmenn ögra risum
Nokkrir stjarnfræðingar voru frá upphafi gagnrýnir á kenninguna um hulduefnið. Þess í stað telja þeir að stjörnuþokurnar geti einungis innihaldið þær lýsandi stjörnur og gas sem við getum greint með sjónaukum.
Framarlega í flokki í gagnrýni á hulduefni var ísraelski stjarneðlisfræðingurinn Mordehai Milgrom. Árið 1983 gerði hann nokkuð sem nánast enginn stjarnfræðingur hafði vogað sér: Hann leiðrétti þyngdarlögmál Newtons.
Afleiðingin af því var kenning sem kölluð er mond (Modified Newtonian Dynamics). Samkvæmt mond gildir lögmál Newtons áfram í litlum kosmískum skala, t.d. í sólkerfinu en ekki yfir fjarlægðir sem nema tugþúsundum ljósára.
Kenning þessi myndi valda miklum usla í heimsfræðinni, enda varðar hún sjálfan þyngdarkraftinn.
Ísraelski stjarneðlisfræðingurinn Mordehai Milgrom setti árið 1983 fram annan valkost við þyngdarlögmál Isaac Newtons og síðan hefur hann reynt að styrkja sína umdeildu kenningu.
Í upphafi voru fáir áhangendur mond en nú virðist áhuginn fara vaxandi meðal fræðimanna. Þetta stafar af því að eðlisfræðingar hafa um áratuga skeið leitað eftir hulduefni í háþróuðum skynjurum neðanjarðar og eins reynt að framleiða það í heimsins stærsta öreindahraðli, LHC – án árangurs.
Þannig er ekki til nein haldbær sönnun um að hulduefni sé yfir höfuð til.
Stjörnuklasar gegna ekki Newton
Geimsjónaukanum Gaja var skotið á loft árið 2013 og hefur hann síðan verið að kortleggja um tvo milljarða stjarna í Vetrarbrautinni.
Athuganir Gaju á fimm ungum stjörnuklösum í nágrenni sólar innihalda hins vegar veigamestu rökin gegn Newton og fyrir mond.
Stjörnuklasarnir eru í um 28.000 ljósára fjarlægð frá miðju Vetrarbrautarinnar. Fjarlægðin er nógu mikil til að afhjúpa hvort hreyfingar stjarnanna fylgi klassísku þyngdarlögmáli Newtons eða hvort mond-kenningin eigi betur við.
Gaja-geimsjónaukinn er á braut í 1,5 milljón kílómetra fjarlægð frá jörðu á svokölluðu L2-lagrange punkti, þar sem sporbrautin verður hvað síst fyrir utanaðkomandi truflunum.
Gaja sýnir tog stjörnuklasa
Geimsjónaukinn Gaja er núna stöðugt að fylgjast með fari um tveggja milljarða stjarna í Vetrarbrautinni.
Gaja mælir einnig bylgjulengdirnar á skini stjarnanna sem geta afhjúpað efnasamsetningu þeirra. Þannig getur Gaja kortlagt hvaða stjörnur hafa fæðst í sömu stjörnuklösum.
Þyngdarkrafturinn frá miðju stjörnuþokanna teygir stjörnuklasana á óratíma í aflangt form. Mótun stjörnuklasanna ræðst af styrk þyngdarkraftsins í Vetrarbrautinni og snúningi hennar.
Nýjar athuganir á stjörnuklösum frá Gaju passa ekki fyllilega við þyngdarlögmál Newtons og því ræða stjarnfræðingar um heim allan hvaða afleiðingar það gæti haft í för með sér.
Í stjörnuklasa fæðast um þúsund stjörnur nánast samtímis í risastóru gasskýi. Í byrjun eru klasarnir kúlulaga en eftir því sem þeir hreyfast með snúningi stjörnuþokunnar teygist á klösunum vegna þyngdarkraftsins frá stjörnum í miðju stjörnuþokunnar.
Stjörnuklasi verður teygður þannig að nokkrar stjörnur geta rofið sig frá klasanum fyrir framan hann á meðan aðrar stjörnur enda fyrir aftan klasann. Samkvæmt þyngdarlögmáli Newtons og Einsteins ættu stjörnuhóparnir tveir að vera jafn stórir en samkvæmt athugunum Gaju eru fleiri stjörnur fyrir framan klasann en færri á eftir í þessum fimm hópum.
Nýtt þyngdarlögmál þurrkar út hulduefni
Í um hálfa öld hafa heimsfræðingar talið að gríðarlegur ósýnilegur massi haldi stjörnuþokunum saman. En annars konar kenning um þyngdarkraftinn úthýsir í raun hulduefni. Nýjar athuganir á fimm stjörnuklösum í Vetrarbrautinni styrkja þá túlkun.
1. Viðtekin kenning krefst hulduefnis
Stjörnuþokurnar snúast svo hratt (hvít ör) að ystu stjörnurnar ættu að þeytast út í geim. Heimsfræði nútímans leysir þann vanda með því að gera ráð fyrir að stjörnuþokan sé umlukin risavöxnu skýi af þungu hulduefni (svört ör) sem heldur stjörnunum föstum á brautum sínum.
2. Lausþyrping skiptist í sundur
Snúningur Vetrarbrautar teygir á Regnstirnis-lausþyrpingunni. Samkvæmt Newton ættu að vera jafn margar stjörnur fyrir framan (t.h.) og fyrir aftan (t.v.) miðju klasans. En flestar eru fyrir framan sem önnur þyngdarkenning spáir fyrir um.
3. Stjörnur gegna annarri kenningu
Samkvæmt Mond-kenningunni verður aðdrátturinn töluvert minni yfir miklar fjarlægðir heldur en Newton taldi. Því geta stjörnurnar haldist fastar á sínum stað, þrátt fyrir snúning stjörnuþokunnar fyrir verkan þyngdarkrafts frá sýnilegum massa og því án „aðstoðar“ frá hulduefni.
Athuganir Gaju passa vel við mond-kenninguna sem segir fyrir um að þyngdaraflið minnki meira yfir miklar fjarlægðir en Newton og Einstein litu á sem sjálfsannað.
Öflugur þyngdarkrafturinn frá miðju Vetrarbrautarinnar togar fleiri stjörnur út í gegnum fordyri í klasanum en hamlar flutningi þeirra út úr bakdyrunum.
Nú vill hópur vísindamanna sem vinnur í þessum athugunum Gaju kanna fleiri stjörnuklasa með geimsjónaukanum til að ráða í hvort þeir allir hagi sér eins og umdeilda kenningin segir fyrir um.
Það er stjarneðlisfræðingurinn Pawel Grupa við Karls-háskólann í Prag sem leiðir þennan hóp vísindamanna.
Ef þessi verður raunin getur nýja kenningin sent Newton á ruslahaugana og veitt hulduefninu náðarhöggið. Það sama má segja um heimsfræði nútímans.
Rétt eins og Pawel Grupa sagði í viðtali við New Scientist þegar þessar athyglisverðu niðurstöður rannsóknarteymis hans voru opinberaðar: „Ef mond-kenningin er rétt eru allir útreikningar um stjörnuþokur rangir. Þá þurfum við að spóla aftur til baka og finna upp heimsfræðina frá byrjun.“
