Probing Variations of Newton's Constant in Strong Gravitational Fields

في قلب فهمنا للكون يكمن افتراض بسيط وهادئ: أن قوانين الطبيعة لا تتغير. لأكثر من قرن، عمل الفيزيائيون بناءً على الاعتقال بأن قوة الجاذبية، وهي القوة التي تبقي الكواكب في مداراتها وتُبقي أقدامنا على الأرض، هي رقم ثابت. هذا الثابت، المعروف باسم ثابت نيوتن للجاذبية، منسوج في نسيج النسبية العامة، وهي النظرية التي تصف كيفية انحناء الزمان والمكان حول الأجسام الضخمة. ولو تغير هذا الرقم ولو قليلاً بمرور الوقت، لتردد صدى ذلك في كل حساب لكيفية احتراق النجوم، وكيفية تشكل المجرات، وكيفية توسع الكون. وبينما تشير بعض النظريات الحديثة إلى أن هذه الأرقام الأساسية قد تكون في الواقع ديناميكية، وتنزاح ببطء مع تقدم عمر الكون، فإن إثبات مثل هذا التغيير أمر صعب للغاية. ففي كوكب الأرض، تكون قوة جذب الجاذبية ضعيفة جداً بحيث لا تكشف عن أي تحولات طفيفة، وفي الفراغ الشاسع للفضاء، غالباً ما تُغمر الإشارة بالضجيج. ولإيجاد صدع في هذا الأساس، يجب على العلماء البحث حيث لا تكون الجاذبية حاضرة فحسب، بل طاغية أيضاً.

في دراسة حديثة، وجه الباحثون أنظارهم نحو نجم قزم أبيض يُدعى G191-B2B، وهو بقايا نجمية ميتة وكثيفة توفر مختبراً فريداً لاختبار هذه الأفكار. هذا النجم مدمج للغاية، حيث يجمع كتلة مماثلة لشمسنا في كرة بحجم الأرض، مما يخلق قوة جذب عند سطحه أقوى بنحو عشرة آلاف مرة مما نختبره هنا. استخدم الفريق، بقيادة ت. د. لي، العيون القوية لتلسكوب هابل الفضائي لالتقاط صور عالية الدقة لضوء النجم في الطيف فوق البنفسجي. وبينما يهرب الضوء من جاذبية القزم الأبيض الشديدة، فإنه يفقد طاقته ويتمدد، وهي ظاهرة تُعرف باسم الإزاحة الحمراء الجاذبية. ومن خلال فحص البصمات المحددة لذرات النيكل داخل غلاف النجم الجوي، استطاع العلماء قياس مدى تمدد هذا الضوء بدقة. وقارنوا هذه القياسات بالأطوال الموجية الدقيقة لضوء النيكل المقاسة في المختبرات على الأرض، بحثاً عن أي تباينات ضئيلة قد تشير إلى أن قوانين الجاذبية أو طبيعة الذرات قد تغيرت بمرور الوقت.

ركز الباحثون على مائة وعشرين خط امتصاص متميزاً، وهي عبارة عن حزم مظلمة في طيف النجم تنشأ عندما تمتص ذرات النيكل ألواناً محددة من الضوء. وفي البيئة القاسية للقزم الأبيض، تتسع هذه الخطوط بسبب ضغط الغاز المحيط، وهو تفصيل راعى الفريق ضبطه بعناية لضمان بقاء قياساتهم حادة. وقد عزلوا الإزاحة الحمراء الجاذبية عن الحركات الأخرى، مثل حركة النجم عبر الفضاء، لمعرفة ما إذا كان الجزء المتبقي من الإزاحة يتوافق مع تنبؤات كون ثابت. وكانت النتيجة قياساً دقيقاً للغاية لم يظهر أي دليل على التغيير. وحسب الفريق أن معدل تغير ثابت نيوتن للجاذبية هو صفر فعلياً، بقيمة قدرها سالب صفر فاصلة صفر واحد أربعة في عشرة أس سالب خمسة عشر في السنة، بزيادة أو نقصان هامش خطأ ضئيل جداً. ويؤكد هذا الاكتشاف أنه حتى في مجال جاذبية أقوى بعشرة آلاف مرة من جاذبية الأرض، يظل الثابت الأساسي الذي يحكم الجاذبية ثابتاً.

يضع هذا الاستنتاج حداً صارماً للنظريات التي تقترح تطور الجاذبية عبر الزمن الكوني. وبينما وضعت دراسات سابقة باستخدام قياس المسافات بالليزر للقمر أو توقيت النجوم النابضة حدوداً على مقدار التغير في الجاذبية، فإن تلك الطرق تعمل في مجالات جاذبية أضعف أو تعتمد على آليات فيزيائية مختلفة. إن التحليل الجديد لـ G191-B2B يستقصي نظاماً تكون فيه الجاذبية أكثر كثافة بكثير، مما يقدم اختباراً أكثر صرامة لما إذا كانت قوانين الفيزياء عالمية حقاً. وتشير البيانات إلى أنه إذا كانت الجاذبية تتغير بأي شكل من الأشكال، فهي تفعل ذلك بمعدل بطيء جداً لدرجة تجعل من المستحيل تمييزه عن كونها ثابتة تماماً ضمن حدود الملاحظة الحالية. ومن خلال ربط نتائجهم بنظريات أوسع تربط الجاذبية بالقوى الأساسية الأخرى، أظهر الباحثون أن استقرار الجاذبية يظل صامداً حتى في ظل أكثر الظروف تطرفاً التي يمكن أن توفرها الطبيعة. وتعزز الدراسة الفكرة القائلة بأن الكون يعمل وفق مجموعة مستقرة من القواعد، مما يوفر أساساً صلباً لفهمنا للكون ويغلق الباب أمام العديد من النماذج التخمينية التي تتنبأ بانزياح ثابت الجاذبية.