Var legend på villospår? Stjärnor tyder på fel i Newtons gravitationslag
Newtons gravitationslag är grundläggande för astronomin, men nu tyder nya stjärnobservationer på att legenden kan ha tagit fel. Om upptäckten stämmer måste vi omvärdera hela den moderna läran om universum.
När vi skjuter upp en satellit i omlopp runt jorden beräknar vi dess rutt med hjälp av en ekvation som är över 300 år gammal. Newtons gravitationslag.
Vi är djupt beroende av ekvationen och forskarna använder den fortfarande som en grundlag när de undersöker stjärnornas och galaxernas rörelser.
Men nya observationer visar att en del stjärnor i Vintergatan ser ut att förflytta sig på ett sätt som strider mot Newtons gravitationslag.
Antingen är observationerna felaktiga eller kräver ytterligare analys – eller så kan det otänkbara plötsligt bli tänkbart: Kanske misstog sig Newton.
En handfull djärva forskare anser att vi bör skrota Newtons gravitationslag och införa en ny.
Om de har rätt måste vi även kassera idén om den mystiska mörka materian, som är definierande för den moderna kosmologin.
Mörk materia räddade gravitationslagarna
Isaac Newton utgav den 5 juli 1687 sin banbrytande avhandling "Naturvetenskapens matematiska principer".
I den förklarade vetenskapsmannen att två kroppar attraherar varandra i kraft av sina massor och att attraktionen avtar i takt med att avståndet mellan dem ökar.
Varje gång avståndet fördubblas minskar attraktionen till en fjärdedel. Och principen gäller enligt oförändrad från den ena änden av universum till den andra.
Albert Einstein byggde vidare på Newtons gravitationslag med sin allmänna relativitetsteori från 1915. I den förklarade han exakt hur massattraktion uppstår: Tunga kroppar kröker rymden runt sig. Jordens gravitationsfält bildar exempelvis en håla i rymden, som månen rullar runt i som kulan i en roulett.
Einstein var enig med Newton om att attraktionen mellan två massor minskar till en fjärdedel när avstånden fördubblas.
Denna dogm utmanades dock på 1970-talet, när den amerikanske astronomen Vera Rubin gjorde en överraskande upptäckt: Galaxerna roterar så fort att de yttersta stjärnorna borde ha slungats ut i rymden som dropparna i en centrifugerande tvättmaskin, om gravitationskraften avtog så mycket som Newton och Einstein hävdade.
Rubin antog att galaxerna omges av ett moln av osynlig mörk materia med en enorm massa, som håller de yttersta stjärnorna på plats med sin gravitationskraft.
Den mörka materian kunde förklara galaxernas rotation och rädda gravitationslagarna som annars hotades av Rubins observationer.
Sedan dess har mörk materia utgjort en grundsten i så gott som all astronomisk forskning.
Fram till nu.
Upprorsmakare utmanar giganter
En handfull astronomer var redan från början skeptiska till teorin om den mörka materian. De föreslog i stället att galaxerna bara innehåller de lysande stjärnor och gaser som vi kan se.
Den mest prominenta kritikern av mörk materia var den israeliske astrofysikern Mordehai Milgrom. År 1983 gjorde han det, som nästan inga astronomer vågar tänka på: Han korrigerade i Newtons gravitationslag.
Det resulterade i en teori kallad MOND (modifierad newtonsk dynamik). Enligt MOND gäller Newtons lag fortsatt i en liten kosmisk skala, exempelvis i solsystemet, men inte över avstånd på tiotusentals ljusår.
Teorin skulle kunna skicka ned den moderna kosmologin i en djup kris, eftersom den ruckade på själva gravitationskraften.
Den israeliska astrofysikern Mordehai Milgrom lade 1983 fram ett alternativ till Isaac Newtons gravitationslag och sedan dess har han argumenterat för sin kontroversiella teori.
MOND fick inte många anhängare till en början, men nu har intresset ökat. Det beror på att fysiker i årtionden har sökt efter mörk materia i underjordiska detektorer och försökt tillverka det i världens största accelerator, LHC – utan framgång.
Det finns alltså fortfarande inga konkreta bevis för att mörk materia existerar.
Stjärnhop lyder inte Newton
Gaiateleskopet skickades upp 2013 och har sedan dess varit fullt upptaget med att kartlägga omkring två miljarder stjärnor i Vintergatan.
Gaias observationer av fem unga stjärnhopar i solens grannskap innehåller det hittills starkaste argumentet mot Newton och för MOND.
Stjärnhoparna befinner sig omkring 28 000 ljusår från Vintergatans centrum. Avståndet är stort nog att avslöja om stjärnornas rörelser följer Newtons klassiska gravitationslag, eller om de lyder MOND-teorin.
Rymdteleskopet Gaia kretsar 1,5 miljoner kilometer från jorden i den så kallade lagrangepunkten L2, där omloppsbanan inte påverkas.
Gaia visar en stjärnhops utsträckning
Teleskopet Gaia är i färd med att mäta omkring två miljarder stjärnors positioner i Vintergatan.
Gaia mäter även våglängderna av stjärnornas ljus, vilket avslöjar deras kemi. Därmed kan Gaia kartlägga vilka stjärnor som är födda i samma så kallade stjärnhop.
Gravitationskraften från galaxens centrum sträcker med tiden ut stjärnhopar i avlånga klungor. Klungornas exakta utformning avgörs av gravitationskraftens styrka i den roterande galaxen.
Nya observationer av stjärnhopar gjorda med Gaia stämmer inte helt in med Newtons gravitationslag och därför diskuterar astrofysiker världen över vad konsekvensen bör bli.
I stjärnhopar föds omkring tusen stjärnor nästan samtidigt i ett stort gasmoln. Från början är hoparna klotrunda, men i takt med att de rör sig runt med galaxens rotation sträcks hoparna ut på grund av gravitationskraften från stjärnor i galaxens centrum.
En stjärnhop sträcks ut så att det uppstår en utbrytargrupp av stjärnor framför hopen, medan en annan grupp hamnar bakom hopen. Enligt både Newtons och Einsteins gravitationslagar borde de båda grupperna av stjärnor vara lika stora, men enligt Gaias observationer fler stjärnor i täten än eftersläntrare i de fem hoparna.
Ny gravitationslag avlivar mörk materia
1. Etablerad teori kräver mörk materia
Galaxernas rotation (vita pilar) borde enligt Newtons gravitationslag slunga ut de yttersta stjärnorna. Den nuvarande förklaringen är att stjärnornas gravitationskraft (blå pil) tillsammans med gravitationskraften från mörk materia (svart pil) håller kvar stjärnorna.
2. Stjärnhop splittras
Vintergatans rotation sträcker ut stjärnhopen Hyaderna. Enligt Newton borde det finnas lika många stjärnor framför (till höger) som bakom (till vänster) hopens centrum. Men det är flest stjärnor framför, vilket den alternativa gravitationsteorin förutsäger.
3. Stjärnor lyder alternativ teori
Enligt MOND-teorin minskar attraktionen mindre över stora avstånd än Newton trodde. Därför kan stjärnorna hålla kvar bara genom gravitationskraften från synlig massa (blå pil) och alltså utan "hjälp" av mörk materia.
Gaias observationer stämmer med MOND-teorin, som förutsäger att gravitationskraften försvagas mindre över stora avstånd än Newton och Einstein hävdade.
Den förstärkta gravitationskraften från Vintergatans centrum drar fram fler stjärnor framför hopen och bromsar in stjärnorna i kölvattnet.
Nu ska forskargruppen bakom de överraskande observationerna, ledd av astrofysikern Pavel Kroupa från Karlsuniversitetet i Prag, observera fler stjärnhopar med Gaia för att klara upp om de alla lyder den kontroversiella teorin.
Om så är fallet kan teorin leda till att Newtons teorier skrotas och ge dödsstöten åt den mörka materian och därmed också den moderna kosmologin.
Som Pavel Kroupa sade i av intervju med New Scientist när hans forskningsgrupps uppseendeväckande resultat offentliggjordes:
"Om MOND-teorin är korrekt är alla rådande beräkningar av galaxer felaktiga. Då måste vi tillbaka till ruta ett och återuppfinna kosmologin från början."