¿Son incorrectas las leyes de la gravitación de Newton? Misterios de la observación de los investigadores

El descubrimiento no puede ser explicado por suposiciones clásicas.

Un equipo internacional de astrofísicos ha hecho un descubrimiento desconcertante al analizar algunos cúmulos estelares. Este descubrimiento desafía las leyes de gravitación de Newton, escriben los investigadores en su publicación. En cambio, las observaciones son consistentes con las predicciones de una teoría alternativa de la gravedad. Sin embargo, esto es controvertido entre los expertos. Los resultados ahora se han publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. La Universidad de Bonn desempeñó un papel importante en el estudio.

En su trabajo, los investigadores investigaron los llamados cúmulos estelares abiertos, grupos no conectados de unas pocas docenas a unos cientos de estrellas que se encuentran en galaxias espirales e irregulares. Los cúmulos abiertos se forman cuando miles de estrellas nacen en un corto período de tiempo en una nube de gas masiva. Cuando se «enciende», los recién llegados de la galaxia expulsan los restos de una nube de gas. En el proceso, la masa se expande significativamente. Esto crea una formación suelta de varias decenas a varios miles de estrellas. La masa se mantiene unida por las débiles fuerzas gravitatorias que actúan entre sí.

«En la mayoría de los casos, los cúmulos estelares abiertos viven solo unos pocos cientos de millones de años antes de fundirse», explica el profesor Dr. Pavel Krupa del Instituto Helmholtz de Radiación y Física Nuclear de la Universidad de Bonn. En el proceso, las estrellas se pierden regularmente, que se acumulan en las llamadas «colas de marea». Una de estas colas se tira detrás del bloque mientras viaja por el espacio. A su vez, el otro toma la iniciativa como punta de lanza.

Prof. Dr. Pavel Krupa del Instituto Helmholtz de Radiación y Física Nuclear de la Universidad de Bonn. Crédito: Volker Lanert/Universidad de Bonn

«Según las leyes de gravitación de Newton, es una cuestión de azar cuál de las colas termina en la estrella que falta», explica el Dr. Jan Pvalam-Altenberg, del Instituto Helmholtz de Radiación y Física Nuclear. «Así que ambos extremos deberían contener aproximadamente la misma cantidad de estrellas. Sin embargo, en nuestro trabajo pudimos probar por primera vez que esto no es cierto: en los grupos que estudiamos, la cola delantera siempre contiene más estrellas cercanas a la masa. que la cola trasera».

Desarrollan un nuevo método para calcular estrellas

Entre los millones de estrellas cercanas a la masa, ha sido casi imposible determinar cuáles pertenecen a sus colas, hasta ahora. “Para hacer esto, debes observar la velocidad y la dirección del movimiento y la edad de cada uno de estos objetos”, explica la Dra. Teresa Yarabkova. La coautora de la investigación, que recibió su doctorado en el grupo Kroupa, se mudó recientemente de Agencia Espacial Europea (ESA) para el Observatorio Europeo Austral en Garching. Desarrolló un método que le permitió contar con precisión las estrellas en sus colas por primera vez. «Hasta ahora, se han investigado cinco cúmulos abiertos cerca de nosotros, incluidos cuatro por nosotros», dice ella. «Cuando analizamos todos los datos, nos encontramos con la contradicción con la teoría actual. Los datos de la encuesta de alta precisión de La misión Gaia de la Agencia Espacial Europea indispensable para esto».

En el cúmulo estelar de Hyades (arriba), el número de estrellas (negras) en la cola de marea delantera es mucho mayor que en la trasera. En una simulación por computadora con MOND (abajo), aparece una imagen similar. Crédito: AG Kroupa / Uni Bonn

Por el contrario, los datos observacionales encajan mejor con la teoría para abreviar LUNES («Dinámica Newtoniana Modificada») entre expertos. «En pocas palabras, según MOND, las estrellas pueden dejar un grupo a través de dos puertas diferentes», explica Kroupa. «Uno conduce a la cola hacia atrás, el otro al frente. Sin embargo, el primero es mucho más estrecho que el segundo, por lo que es poco probable que la estrella deje masa a través de él. Por otro lado, la teoría gravitacional de Newton predice que ambos las puertas deben ser del mismo ancho».

Los cúmulos de estrellas tienen una vida más corta de lo que predicen las leyes de Newton

El equipo de astrofísicos ha calculado la distribución estelar esperada según MOND. “Los resultados son sorprendentemente consistentes con las observaciones”, destaca el Dr. Ingo Thies, quien desempeñó un papel clave en las simulaciones correspondientes. Sin embargo, tuvimos que recurrir a métodos aritméticos relativamente simples para hacerlo. Actualmente carecemos de las herramientas matemáticas para realizar análisis más detallados de la dinámica newtoniana modificada». Sin embargo, las simulaciones también coincidieron con las observaciones por otro lado: predijeron cuánto tiempo deberían permanecer los cúmulos de estrellas normalmente abiertos. Este período de tiempo es mucho más corto de lo esperado según a «Esto explica un misterio conocido desde hace mucho tiempo”, señala Kroupa. «Específicamente, los cúmulos de estrellas en las galaxias cercanas parecen estar desapareciendo más rápido de lo que deberían».

Sin embargo, la teoría MOND no es indiscutible entre los expertos. Dado que las leyes de la gravitación de Newton no serían válidas bajo ciertas condiciones, sino que tendrían que modificarse, esto también tendría consecuencias de gran alcance para otras áreas de la física. «Por otra parte, resuelve muchos de los problemas que enfrenta la cosmología hoy en día», explica Kroupa, quien también es miembro de las Áreas de Investigación Interdisciplinaria de Modelado y Materia de la Universidad de Bonn. Los astrofísicos ahora están explorando nuevos métodos matemáticos para simulaciones más precisas. Luego se pueden usar para encontrar más evidencia sobre si el teorema MOND es verdadero o no.

Referencia: “Colas de marea asimétricas de cúmulos estelares abiertos: estrellas que cruzan su cúmulo Brah desafían la gravedad newtoniana” por Pavel Karpa, Teresa Yarabkova, Ingo Theis, Jan Pvalam-Altenberg, Benoit Famy, Henry MJ Boffin, Jörg Dabringhausen, Giacomo Beccari, Timo Beccari , Christian Boyle, Hossein Hajji, Zuven Wu, Jaroslav Hass, Akram Hosni Zunuzzi, Guillaume Thomas, Ladislav Uber y J Arsith Ambassador, 26 de octubre de 2022, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stac2563

Además de la Universidad de Bonn, el estudio incluyó la Universidad Charles de Praga, el Observatorio Europeo Austral ([{» attribute=»»>ESO) in Garching, the Observatoire astronomique de Strasbourg, the European Space Research and Technology Centre (ESA ESTEC) in Nordwijk, the Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS) in Zanjan (Iran), the University of Science and Technology of China, the Universidad de La Laguna in Tenerife, and the University of Cambridge.

The study was funded by the Scholarship Program of the Czech Republic, the German Academic Exchange Service (DAAD), the French funding organization Agence nationale de la recherche (ANR), and the European Research Council ERC.