Var legende på vildspor? Stjerner peger på fejl i Newtons tyngdelov
Newtons tyngdelov er grundlæggende for hele astronomien, men nu tyder nye stjerneobservationer på, at legenden måske tog fejl. Hvis opdagelsen holder, skal vi gentænke hele den moderne lære om universet.
Når vi sender en satellit op i kredsløb om Jorden, beregner vi dens rute ved hjælp af en ligning, der er mere end 300 år gammel: Newtons tyngdelov.
Vi er dybt afhængige af ligningen, og forskerne bruger den fortsat som grundlag, når de undersøger stjernernes og galaksernes bevægelser.
Men nye observationer viser, at nogle stjerner i Mælkevejen tilsyneladende bevæger sig på en måde, der strider mod Newtons tyngdelov.
Enten er observationerne forkerte eller kræver yderligere analyse – eller det utænkelige kan pludselig blive tænkeligt: Måske tog Newton fejl.
En håndfuld dristige forskere mener nu, at vi må skrotte Newtons tyngdelov og indføre en ny.
Hvis de har ret, skal vi også smide idéen om det mystiske mørke stof, som er definerende for den moderne kosmologi, på lossepladsen.
Mørkt stof reddede tyngdelovene
Isaac Newton udgav den 5. juli 1687 sin banebrydende afhandling “Naturfilosofiens matematiske principper”.
Her forklarede videnskabsmanden, at to legemer tiltrækker hinanden i kraft af deres masser, og at tiltrækningen aftager, i takt med at afstanden mellem dem stiger.
Hver gang afstanden fordobles, falder tiltrækningen til en fjerdedel. Og princippet gælder ifølge Newton uforandret fra den ene ende af universet til den anden.
Albert Einstein byggede videre på Newtons tyngdelov med sin generelle relativitetsteori fra 1915. Her forklarede han, præcis hvordan massetiltrækning opstår: Tunge legemer krummer rummet omkring sig. Jordens tyngdefelt danner fx en hulning i rummet, som Månen triller rundt i som kuglen i en roulette.
Einstein var enig med Newton i, at tiltrækningen mellem to masser falder til en fjerdedel, når afstanden fordobles.
Dette dogme blev dog udfordret i 1970’erne, da den amerikanske astronom Vera Rubin gjorde en overraskende opdagelse: Galakserne roterer så hurtigt, at de yderste stjerner burde blive slynget ud i rummet som dråberne i en centrifugerende vaskemaskine, hvis tyngdekraften aftog så meget, som Newton og Einstein hævdede.
Rubin postulerede, at galakserne er omgivet af en sky af usynligt mørkt stof med en enorm masse, der holder snor i de yderste stjerner med dens tyngdekraft.
Det mørke stof kunne forklare galaksernes rotation og redde tyngdelovene, der ellers var truet af Rubins observationer.
Siden dengang har mørkt stof udgjort en grundsten i stort set al astronomisk forskning.
Indtil nu.
Oprørere udfordrer giganter
En håndfuld astronomer var fra begyndelsen skeptiske over for teorien om det mørke stof. I stedet mente de, at galakserne kun indeholder de lysende stjerner og gasser, som vi kan se.
Den mest prominente mørkt stof-kritiker var den israelske astrofysiker Mordehai Milgrom. I 1983 gjorde han det, som næsten ingen astronomer turde overveje: Han rettede i Newtons tyngdelov.
Resultatet blev teorien kaldet mond (modified Newtonian dynamics). Ifølge mond gælder Newtons lov fortsat i en lille kosmisk skala, fx i Solsystemet, men ikke over afstande på titusindvis af lysår.
Teorien kunne sende den moderne kosmologi ud i en dyb krise, fordi den rokkede ved selve tyngdekraften.
Den israelske astrofysiker Mordehai Milgrom fremsatte i 1983 et alternativ til Isaac Newtons tyngdelov, og lige siden har han argumenteret for sin kontroversielle teori.
Mond fandt kun få tilhængere i starten, men nu er interessen stigende. Det skyldes, at fysikerne i årtier har ledt efter mørkt stof i underjordiske detektorer og forsøgt at producere det på verdens største accelerator, LHC – uden held.
Der er altså stadig intet konkret bevis for, at mørkt stof eksisterer.
Stjernehobe adlyder ikke Newton
Gaiateleskopet blev sendt op i 2013 og har siden været i gang med at kortlægge omtrent to milliarder stjerner i Mælkevejen.
Gaias observationer af fem unge stjernehobe i Solens nabolag rummer det hidtil stærkeste argument mod Newton og for mond.
Stjernehobene befinder sig omkring 28.000 lysår fra Mælkevejens centrum. Afstanden er stor nok til at afsløre, om stjernernes bevægelser følger Newtons klassiske tyngdelov, eller om de adlyder mond-teorien.
Gaia-rumteleskopet kredser 1,5 millioner kilometer fra Jorden i det såkaldte L2-lagrangepunkt, hvor kredsløbet ikke forstyrres.
Gaia viser stjernehobes udstrækning
Teleskopet Gaia er i færd med at måle positionerne af omtrent to milliarder stjerner i Mælkevejen.
Gaia måler også bølgelængderne af stjernernes lys, som afslører deres kemi. Dermed kan Gaia kortlægge, hvilke stjerner der er født i samme såkaldte stjernehobe.
Tyngdekraften fra galaksens centrum strækker over tid stjernehobe ud til aflange klynger. Klyngernes præcise udformning afgøres af tyngdekraftens styrke i den roterende galakse.
Nye observationer af stjernehobe lavet med Gaia stemmer ikke umiddelbart overens med Newtons tyngdelov, og derfor diskuterer astrofysikere verden over, hvad konsekvensen bør være.
I stjernehobe fødes omkring tusind stjerner næsten samtidig i en stor gassky. Fra begyndelsen er hobene kuglerunde, men i takt med at de bevæger sig rundt med galaksens rotation, udstrækkes hobene på grund af tyngdekraften fra stjerner i galaksens centrum.
En stjernehob bliver strakt sådan, at der opstår en udbrydergruppe af stjerner foran hoben, mens en anden gruppe falder bagud. Ifølge både Newtons og Einsteins tyngdelove burde de to grupper af stjerner være lige store, men ifølge Gaias observationer er der flere frontløbere end efternølere i de fem hobe.
Ny tyngdelov afliver mørkt stof
1. Etableret teori kræver mørkt stof
Galaksernes rotation (hvide pile) burde ifølge Newtons tyngdelov slynge de yderste stjerner væk. Den nuværende forklaring er, at stjernernes tyngdekraft (blå pil) sammen med tyngdekraften fra mørkt stof (sort pil) holder på stjernerne.
2. Stjernehob bliver splittet ad
Mælkevejens rotation strækker stjernehoben Hyaderne. Ifølge Newton skulle der være lige mange stjerner foran (th.) og bag ved (tv.) hobens centrum. Men der er flest foran, hvilket den alternative tyngdeteori mond forudsiger.
3. Stjerner adlyder alternativ teori
Ifølge teorien mond falder tiltrækningen mindre over store afstande, end Newton mente. Derfor kan stjernerne fastholdes kun ved tyngdekraften fra synlig masse (blå pil) og altså uden “hjælp” fra mørkt stof.
Gaias observationer passer med mond-teorien, der forudsiger, at tyngdekraften svækkes mindre over store afstande, end Newton og Einstein hævder.
Den forstærkede tyngdekraft fra Mælkevejens centrum trækker flere stjerner ud gennem fordøren i hoben og bremser transporten ud ad bagdøren.
Nu vil forskergruppen bag de overraskende observationer, ledet af astrofysikeren Pavel Kroupa fra Karlsuniversitetet i Prag, observere flere stjernehobe med Gaia for at afklare, om de alle adlyder den kontroversielle teori.
Hvis det er tilfældet, kan teorien sende Newton på lossepladsen og levere dødsstødet til det mørke stof og dermed også den moderne kosmologi.
Som Pavel Kroupa sagde i et interview med New Scientist, da hans forskningsgruppes opsigtsvækkende resultater blev offentliggjort:
“Hvis mond-teorien er korrekt, er alle nutidens beregninger om galakser forkerte. Så må vi rykke tilbage til start og genopfinde kosmologien forfra.”