گرانش بیشتر به عنوان نیرویی شناخته میشود که اجسام را به سمت زمین میکشد، اما نقش آن بسیار فراتر از سقوط سیبها است. در سراسر جهان، گرانش به عنوان چارچوبی نامرئی عمل میکند که بر نحوه شکلگیری و تکامل کهکشانها، خوشههای کهکشانی و بزرگترین ساختارهای کیهانی تأثیر میگذارد.
با این حال، برای دههها، اخترشناسان با مشاهداتی مواجه بودهاند که به نظر نمیرسد با آنچه قابل مشاهده است، سازگاری کامل داشته باشد. برخی ستارهها و کهکشانها بسیار سریعتر از آنچه جرم مرئی آنها میتواند توضیح دهد، حرکت میکنند. این رمز و راز، کیهانشناسانی مانند پاتریسیو آ. گایاردو، محقق دانشگاه پنسیلوانیا، را بر آن داشته تا بررسی کنند که آیا قوانین گرانش که توسط آیزاک نیوتن و آلبرت انیشتین وضع شده است، در همه جای جهان معتبر هستند یا خیر.
گایاردو میگوید: «اخترفیزیک با یک اختلاف عظیم در ترازنامه کیهانی دستوپنجه نرم میکند. وقتی به نحوه گردش ستارهها در کهکشانها یا نحوه حرکت کهکشانها در خوشههای کهکشانی نگاه میکنیم، برخی از آنها به نظر میرسد برای مقدار ماده مرئی که دارند، خیلی سریع حرکت میکنند.»
به گفته گایاردو، این اختلاف به دو احتمال بسیار متفاوت اشاره دارد. جهان ممکن است حاوی مقادیر زیادی «ماده تاریک» نامرئی باشد که گرانش آن کشش اضافی را فراهم میکند، یا «معادلات بنیادی گرانش باید اصلاح شوند.»
آزمایش گرانش در مقیاسهای کیهانی بیسابقه
گایاردو و همکارانش اکنون گرانش را در یک آزمایش غیرعادی بزرگ با استفاده از مشاهدات تلسکوپ کیهانشناسی آتاکاما (ACT) قرار دادهاند؛ تلسکوپی با ارتفاع تقریباً سه تا چهار طبقه که عمدتاً توسط محققان دانشگاه پنسیلوانیا به رهبری مارک دولین ساخته شده است.
این تیم گرانش را در میان خوشههای کهکشانی که صدها میلیون سال نوری از هم جدا شدهاند بررسی کرد و این آزمایش را به بزرگترین آزمایش گرانش در مقیاس بزرگ تا به امروز تبدیل کرد.
نتایج منتشر شده در Physical Review Letters نشان میدهد که قدرت گرانش با فاصله تقریباً دقیقاً همانگونه کاهش مییابد که معادلات نیوتن پیشبینی کرده بودند و بعداً در نظریه نسبیت عام انیشتین گنجانده شد.
گایاردو میگوید: «قابل توجه است که قانون عکس مجذور فاصله، که توسط نیوتن در قرن هفدهم ارائه شد و سپس در نظریه نسبیت عام انیشتین گنجانده شد، همچنان در قرن بیست و یکم پابرجاست.»
این یافته از یکی از پایههای کیهانشناسی مدرن حمایت میکند. به گفته گایاردو، نشان دادن اینکه نظریههای تثبیتشده گرانش همچنان در فواصل عظیم کار میکنند، مدل استاندارد کیهانشناسی را تقویت میکند. همچنین دستهای از جایگزینها، از جمله دینامیک نیوتنی اصلاحشده (MOND)، را که سعی در توضیح حرکات غیرعادی کیهانی با تغییر قوانین گرانش دارند، به شدت محدود میکند.
نیوتن در ابتدا رابطه عکس مجذور فاصله را برای توصیف حرکت در منظومه شمسی توسعه داد. این اصل میگوید که قدرت گرانش با مجذور فاصله بین دو جسم کاهش مییابد. دانشمندان اکنون همان رابطه را با استفاده از جرمها و فواصلی آزمایش کردهاند که به گفته گایاردو «در زمان نیوتن غیرقابل تصور بود.»
چرا کهکشانها خیلی سریع حرکت میکنند
بیش از ۲۰۰ میلیارد کهکشان در جهان وجود دارد و حرکات آنها مدتهاست که معمای بزرگی را برای اخترشناسان ایجاد کرده است.
بر اساس تصویر ساده نیوتنی، ستارههایی که دورتر از مرکز کهکشان میچرخند باید کندتر حرکت کنند. مشاهدات چیز بسیار متفاوتی را نشان میدهد. ستارههای مناطق بیرونی کهکشانها بسیار سریعتر از آنچه مقدار ماده مرئی از نظر گرانشی قادر به حمایت از آن به نظر میرسد، حرکت میکنند.
مشکل مشابهی در خوشههای کهکشانی رخ میدهد. کل کهکشانها با سرعتهایی در این ساختارهای عظیم حرکت میکنند که با جرم مشاهدهشده آنها به تنهایی قابل توضیح نیست.
گایاردو توضیح میدهد: «این معمای اصلی است. یا گرانش در مقیاسهای بسیار بزرگ رفتار متفاوتی دارد، یا جهان حاوی ماده اضافی است که ما نمیتوانیم مستقیماً ببینیم.»
نور باستانی آزمونی برای گرانش فراهم میکند
برای بررسی اینکه کدام توضیح با شواهد مطابقت بهتری دارد، محققان مشاهدات ACT از تابش زمینه کیهانی (CMB) را تحلیل کردند. این نور باستانی حدود ۳۸۰٬۰۰۰ سال پس از مهبانگ منتشر شد و از آن زمان تاکنون در حال سفر در جهان بوده است.
هنگامی که نور CMB از میان خوشههای کهکشانی عظیم عبور میکند، حرکت آن خوشهها تغییرات کوچکی در نور ایجاد میکند. اخترشناسان میتوانند این نشانههای ضعیف را تشخیص دهند و از آنها برای مطالعه حرکات خوشهها استفاده کنند.
با بررسی این اثرات در میان صدها هزار خوشه کهکشانی که دهها میلیون سال نوری از هم جدا شدهاند، محققان توانستند تعیین کنند که گرانش با چه شدتی بر برخی از بزرگترین ساختارهای جهان عمل میکند.
اگر مدلهای گرانش اصلاحشده مانند MOND توضیح صحیحی ارائه میدادند، اندازهگیریها باید کاهش تدریجیتری در گرانش با فاصله نشان میدادند.
اما این چیزی نیست که تیم پیدا کرد. در عوض، اندازهگیریها تقریباً دقیقاً در منطقهای قرار گرفتند که نظریه نیوتن و نظریه انیشتین با هم توافق دارند.
از آنجا که گرانش همانگونه که پیشبینی شده بود رفتار کرد، تغییر قانون گرانش جرم گمشدهای را که این مشاهدات آشکار کردهاند توضیح نمیدهد. بنابراین، این نتیجه این فرضیه را تقویت میکند که یک جزء نامرئی، یعنی ماده تاریک، کشش گرانشی اضافی را فراهم میکند.
رمز و راز ماده تاریک باقی میماند
اگرچه این یافتهها شواهدی برای ماده تاریک اضافه میکنند، اما به یکی از بزرگترین سؤالات باقیمانده در فیزیک پاسخ نمیدهند: ماده تاریک در واقع از چه چیزی تشکیل شده است.
گایاردو میگوید: «این مطالعه شواهدی را تقویت میکند که جهان حاوی یک جزء ماده تاریک است. اما ما هنوز نمیدانیم آن جزء از چه ساخته شده است.»
اندازهگیریهای آینده CMB، همراه با بررسیهای بزرگتر کهکشانها، باید به اخترشناسان و فیزیکدانان اجازه دهد تا گرانش را با دقت حتی بیشتری آزمایش کنند.
گایاردو با خنده میگوید: «با این همه سؤال بیپاسخ، گرانش یکی از جذابترین حوزههای تحقیقاتی باقی مانده است. این یک زمینه ذاتاً جذاب است.»
پاتریسیو گایاردو محقق وابسته در گروه نجوم و فیزیک در دانشکده هنر و علوم دانشگاه پنسیلوانیا است.
این مطالعه شامل بیش از ۴۰ محقق با وابستگیهای نهادی در چندین کشور بود. محققان فردی شرکتکننده در این مطالعه توسط انواع بورسیهها و آژانسهای تأمین مالی ملی، از جمله موسسه کاولی برای فیزیک کیهانشناسی در دانشگاه شیکاگو، انجمن همکاران سیمونز، بنیاد ملی علوم ایالات متحده (AST-2206088)، کمک هزینه ROSES ناسا 12-EUCLID12-0004، پروژه Basal آژانس ملی تحقیقات و توسعه شیلی (ANID) FB210003، بنیاد ملی تحقیقات آفریقای جنوبی، و شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی کانادا (NSERC) از طریق کمک هزینههای RGPIN-2023-05014 و DGECR-2023-00180 حمایت شدند. حمایت اضافی توسط کرسی خانواده ساتن در علم، مسیحیت و فرهنگها در دانشکده هنر و علوم دانشگاه تورنتو ارائه شد.
پروژه تلسکوپ کیهانشناسی آتاکاما (ACT) عمدتاً توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده از طریق جوایز AST-0408698، AST-0965625 و AST-1440226 برای پروژه ACT، و همچنین PHY-0355328، PHY-0855887 و PHY-1214379 حمایت میشود. بودجه اضافی توسط دانشگاه پرینستون، دانشگاه پنسیلوانیا و جایزه بنیاد نوآوری کانادا (CFI) به دانشگاه بریتیش کلمبیا ارائه شده است. توسعه آشکارسازها و عدسیهای چندرنگ ACT توسط کمک هزینههای ناسا NNX13AE56G و NNX14AB58G پشتیبانی شد و تحقیقات آشکارساز در موسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST) از طریق برنامه نوآوری در علم اندازهگیری NIST پشتیبانی شد.
منبع داستان:
مطالب ارائه شده توسط دانشگاه پنسیلوانیا. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شده باشد.
مرجع مجله:
- P.?A. Gallardo, K. Pardo, O.?H.?E. Philcox, N. Battaglia, E.?S. Battistelli, R. Bean, E. Calabrese, S.?K. Choi, M. Devlin, J. Dunkley, R. Dünner, S. Ferraro, Y. Guan, E. Healy, C. Hervías-Caimapo, M. Hilton, A.?D. Hincks, J.?C. Hood, A. Kosowsky, A. La Posta, T. Louis, M.?S. Madhavacheril, J. McMahon, K. Moodley, T. Mroczkowski, S. Naess, L. Newburgh, M.?D. Niemack, L.?A. Page, B. Partridge, R. Puddu, E. Schaan, N. Sehgal, C. Sifón, D.?N. Spergel, S.?T. Staggs, A. van Engelen, C. Vargas, E.?M. Vavagiakis, K. Wagoner, E.?J. Wollack. آزمون قانون نیروی گرانش در مقیاسهای کیهانی با استفاده از اثر سونیائف-زلدوویچ جنبشی. Physical Review Letters, 2026; 136 (15) DOI: 10.1103/rk8v-rcm3
استناد به این صفحه:
دانشگاه پنسیلوانیا. «قانون ۳۰۰ ساله نیوتن بزرگترین آزمون خود را پشت سر گذاشت.» ScienceDaily. ScienceDaily، ۲۴ اوت ۲۰۲۶. <www.sciencedaily.com/releases/2026/08/260823015019.htm>.