Improving constraints on the Yukawa correction at the Galactic Center with multiple stellar orbits
من خلال تحليل البيانات القياسية الفلكية والتحليل الطيفي لعدة نجوم (S2، وS55، وS29، وS38، وS301) التي تدور حول الثقب الأسود فائق الكتلة في مركز المجرة، تعمل هذه الدراسة على تحسين القيود المفروضة على تصحيح "يوكاوا" (Yukawa-like) للجاذبية النيوتونية بشكل كبير، محققةً حداً أضيق بخمس مرات في قوة الاقتران مقارنة بالتحليلات السابقة للنجم الواحد، ومحققةً بذلك أشد الحدود صرامة حتى الآن عند كل من المسافات القصيرة والبعيدة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
الجاذبية هي القوة التي تمسك عالمنا معاً، اليد الخفية التي تبقي الكواكب في مساراتها وتجعل التفاح يسقط من الأشجار. لأكثر من قرن، كان أفضل وصف لنا لهذه القوة هو نظرية ألبرت أينشتاين للنسبية العامة، وهو إطار عمل اجتاز كل اختبار وضعناه أمامه، من انحناء ضوء النجوم إلى تموجات الزمكان الناتجة عن اصطدام الثقوب السوداء. ومع ذلك، ورغم نجاحها، تترك النظرية بعض الألغاز الكونية دون حل، مثل طبيعة المادة المظلمة والتسارع الغريب لتوسع الكون. وبسبب هذه الفجوات، تساءل العلماء طويلاً عما إذا كانت الجاذبية تتصرف بشكل مختلف قليلاً في البيئات القاسية أو عند مسافات محددة للغاية. تشير إحدى الأفكار الشائعة إلى أن الجاذبية قد تمتلك "دفعة" أو "جذباً" إضافياً ضئيلاً يتلاشى بسرعة مع المسافة، وهو مفهوم يُعرف باسم "تصحيح يوكاوا" (Yukere correction). وإذا وجدت مثل هذه القوة، فستكون قوة خامسة من قوى الطبيعة، متميزة عن القوى الأربع التي نعرفها بالفعل، والعثور عليها من شأنه أن يعيد كتابة قوانين الفيزياء.
وللبحث عن هذه القوة المراوغة، وجه الفلكيون أعينهم الأكثر قوة نحو مركز مجرتنا، درب التبانة. هناك، مختبئاً خلف سحب من الغبار، يقع ثقب أسود فائق الكتلة، وهو وحش جاذبية كثيف لدرجة أن حتى الضوء لا يمكنه الهروب منه. وتدور حول هذا الثقب الأسود عدة نجوم، تتحرك بسرعات هائلة في مسارات تقربها بشكل خطير من أفق الحدث. ومن خلال مراقبة كيفية حركة هذه النجوم، يمكن للعلماء قياس قوة الجاذبية في نظام أكثر شدة بكثير مما هو موجود في نظامنا الشمسي. وإذا وجدت هذه "القوة الخامسة" الإضافية، فإنها ستدفع هذه النجوم بعيداً عن مساراتها المتوقعة، تاركة بصمة خفية في حركتها لا تستطيع نظرياتنا الحالية تفسيرها.
لقد نقلت دراسة جديدة قادتها مجموعة "GRAVITY+" عملية البحث هذه إلى مستوى جديد من الدقة. فبدلاً من الاعتماد على حركة نجم واحد، كما فعلت الدراسات السابقة، دمج الفريق بيانات من خمسة نجوم مختلفة تدور حول الثقب الأسود المركزي. وقد استخدموا مجموعة ضخمة من الملاحظات التي جُمعت على مدى أكثر من ثلاثة عقود، من عام 1992 إلى عام 2025، والتي سجلتها عدة أدوات متطورة في التلسكوب الكبير جداً (VLT) في تشيلي. تتضمن هذه المجموعة من البيانات النجم المعروف S2، الذي تم تتبعه لسنوات، ولكن الأهم من ذلك أنها تتضمن أيضاً بيانات عن أربعة نجوم أخرى، بما في ذلك نجم مكتشف حديثاً يسمى S301. وهذا النجم الجديد ذو قيمة خاصة لأنه يغوص أقرب بكثير إلى الثقب الأسود مما يفعل S2، مما يسمح للفريق باختبار الجاذبية عند مسافات كان من المستحيل سبر أغوارها سابقاً.
بنى الباحثون نموذجاً حاسوبياً معقداً لمحاكاة مدارات هذه النجوم الخمسة، مع مراعاة قوانين الجاذبية المعروفة بالإضافة إلى القوة الإضافية المحتملة. ثم قارنوا عمليات المحاكاة هذه بالملاحظات الفعلية لمعرفة ما إذا كانت النجوم تتحرك تماماً كما هو متوقع أو إذا كانت تظهر علامات تعرضها لشد شيء آخر. كانت النتائج بمثابة انتصار للدقة؛ حيث لم يجد الفريق أي دليل على هذه القوة الإضافية. وفي الواقع، من خلال دمج البيانات من جميع النجوم الخمسة، تمكنوا من استبعاد وجود هذه القوة الخامسة بيقين أكبر من أي وقت مضى. وقد حددوا أنه إذا كانت مثل هذه القوة موجودة، فيجب أن تكون ضعيفة للغاية، وبدرجة تقل كثيراً عن العتبة التي قد تؤثر على مدارات النجوم بأي طريقة ملحوظة.
تكميز قوة هذه الدراسة في تنوع النجوم المستخدمة. فبينما قدمت البيانات من النجم S2 وحده حداً ضيقاً جداً للقوة عند مسافة محددة، فإن إضافة النجوم الأخرى سمحت للعلماء باختبار نطاق أوسع بكثير من المسافات. فالنجم S29، الذي يسلك مداراً أوسع بكثير، ساعد في وضع حدود صارمة لكيفية سلوك القوة عند المسافات الكبيرة. وعلى العكس من ذلك، سمح النجم المكتشف حديثاً S301، بمساره الضيق والقريب، للفريق باختبار القوة عند مسافات قصيرة جداً، وهي منطقة لم تستطع الدراسات السابقة النظر إليها. ووجد الفريق أنه عند مسافة تقارب 100 وحدة فلكية من الثقب الأسود، يجب أن تكون قوة أي قوة إضافية كهذه أقل من ستة من عشرة آلاف من قوة الجاذبية العادية. وعند المسافات الأقرب، أصبحت الحدود أكثر صرامة.
يمثل هذا العمل الاختبار الأكثر صرامة للجاذبية على الإطلاق والذي أُجري حول ثقب أسود فائق الكتلة. ومن خلال تضييق القيود على هذه القوة الخامسة المحتملة، تغلق الدراسة الباب فعلياً أمام فئة واسعة من النظريات التي تتنبأ بأن مثل هذه القوة ستكون قوية بما يكفي ليتم اكتشافها في المركز المجري. وبينما يستمر البحث عن الانحرافات عن نظرية أينشتاين، فإن هذا التحليل الجديد يؤكد أنه، على الأقل في الحي العنيف المحيط بالثقب الأسود المركزي في درب التبانة، تتصرف الجاذبية تماماً كما تتنبأ به النسبية العامة. إن النجوم ترقص على أنغام القوانين المعروفة، وحتى الآن، تظل الموسيقى دون تغيير.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.