挑战牛顿引力定律？

近日，一组国际天体物理学家团队在分析某些星团时，得到了一个令人困惑的发现。

研究人员在他们的论文中写道，这一发现挑战了牛顿引力定律，而与另一种引力理论的预测相一致。这些带来争议的观测结果现已发表在《皇家天文学会月报》上。

疏散星团的“一生”

在研究中，研究人员调查了所谓的疏散星团。当成千上万颗恒星在短时间内于一个巨大的气体云中诞生时，就会形成疏散星团。随着恒星“点火”，星系的新成员吹走了气体云的遗迹。在这个过程中，星团极大地膨胀。这就形成了一个由几十颗到几千颗恒星组成的松散结构，它们之间微弱的引力将星团固定在一起。

在大多数情况下，疏散星团仅仅存在几亿年就会消散。在它的生命历程中，它们会有规律地失去恒星，这些恒星会累积成两条“潮尾”。其中一条尾在星团穿越空间时被拉到它的后面。相反，另一条则像矛头一样在前面领路。

根据牛顿引力定律，一颗丢失的恒星最终会出现在哪条尾上，是一个概率问题。因此，两条尾应该包含了大约相同数量的恒星。

然而，在这项新研究中，团队却第一次证明情况不是这样。

为计算恒星开发的新方法

截至目前，几乎不可能从靠近一个星团的数百万颗恒星中确定哪些是属于它的尾。要做到这一点，必须研究这些天体中每一个的速度、运动方向和年龄。

研究人员开发了一种方法，首次能够准确地计算出尾的恒星。到目前为止，科学家已经研究了邻近的五个疏散星团。在分析所有的数据时，他们遇到了与现有理论的矛盾。在被研究的星团中，前尾总是比后尾包含更多的靠近星团的恒星。

在毕星团中（上图），在前面的潮尾中的恒星数量（黑点）明显比后面的要多。在MOND相关的计算机模拟中（下图）也出现了类似结果。（图／AG Kroupa, Uni Bonn）

相比之下，观察到的数据更符合一种被称为MOND的理论，他的全称是“修正牛顿动力学”（MOdified Newtonian Dynamics）。

用一种比喻简单地解释，根据MOND，恒星可以通过两扇不同的“门”离开一个星团，一个通向后方的潮尾，另一个通向前方的。然而，第一扇门要比第二扇窄得多，因此，一颗恒星通过它离开星团的可能性较小。但牛顿的引力理论却告诉我们，两扇门的宽度应该是一样的。

团队根据MOND计算了预期的恒星分布，结果出乎意料地与观测结果相符。但同时，团队也表示，他们不得不借助于相对简单的计算方法才能完成，因为目前还缺乏对修正牛顿动力学进行更详细分析的数学工具。

尽管如此，模拟结果在另一个方面也与观测结果相吻合。他们预测了疏散星团通常应该存在多长时间。而这个时间跨度明显短于根据牛顿定律的预期。这同时解释了一个长期以来一直为人所知的谜团，那就是，附近星系中的星团似乎比认为的消失得更快。

争议仍在

然而，在科学界，MOND理论本身也仍有争议。

由于牛顿的万有引力定律在某些情况下会失效，而必须进行修正，这种修正对物理学的其他领域也会产生深远的影响。但MOND似乎也解决了宇宙学如今面临的许多问题。

团队现在正在探索新的数学方法，以便进行更精确的模拟。这样一来，他们也可以用这些模拟来寻找进一步的证据，确认MOND理论究竟是否正确。

参考来源：

https://www.uni-bonn.de/en/news/237-2022

https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/517/3/3613/6773470?redirectedFrom=fulltext

封面图&首图：NASA, ESA, and STScl.