修正牛頓力學:第九行星搜尋是否揭示了新的萬有引力定律?
太陽系外圍可能蘊藏另一顆行星–或是修改萬有引力定律的證據。一對理論物理學家報告說,激發人們尋找第九顆行星的同樣的觀測結果,可能是太陽系內的一個證據,它證明了一個修改過的萬有引力定律,該定律最初是為了理解星系的旋轉而制定的。
柯伊伯帶天體(KBO)的藝術家印象圖,該天體位於太陽系外緣,與太陽的距離達到驚人的40 億英里。圖片來源:NASA、ESA 和G. Bacon(STScI)
凱斯西儲大學(Case Western Reserve University)物理學教授哈什-馬瑟(Harsh Mathur)和漢密爾頓學院(Hamilton College)物理學副教授凱瑟琳-布朗(Katherine Brown)在研究了銀河系對外太陽系天體的影響後提出了這個論點–如果萬有引力定律受一種被稱為修正牛頓動力學(Modified Newtonian Dynamics,簡稱MOND)的理論所支配的話。
哈什-馬瑟資料來源:凱斯西儲大學
MOND提出,艾薩克-牛頓著名的萬有引力定律在某種程度上是有效的。也就是說,當牛頓定律所預測的重力加速度變得足夠小時,MOND允許不同的重力行為取而代之。
MOND在星系尺度上的成功觀測是一些科學家認為它可以取代”暗物質”的原因。”暗物質”是物理學家用來描述一種假想的物質形式,它具有引力效應,但不發射任何光。
馬圖爾說:”MOND確實能很好地解釋銀河系尺度的觀測結果,但我沒想到它會對外太陽系產生明顯的影響。”
他們的研究成果最近發表在《天文學報》上。
馬瑟爾和布朗先前研究過MOND 對星系動力學的影響。但在天文學家於2016年宣布外太陽系的一些天體出現了軌道異常,可以用第九行星來解釋之後,他們開始對MOND的局部效應產生了興趣。
軌道異常曾帶來歷史性的發現: 海王星是透過其對附近天體軌道的引力牽引而被發現的,水星的微小前衝為支持愛因斯坦的廣義相對論提供了早期證據,天文學家最近利用軌道動力學推論出銀河系中心存在一個超大質量黑洞。
布朗意識到MOND 的預測可能與觀測結果不符,而觀測結果正是尋找第九行星的動力。她說:”我們想知道支持第九行星假說的數據是否會有效排除MOND。”
凱瑟琳-布朗資料來源:漢密爾頓學院
相反,馬瑟爾和布朗發現,MOND恰恰預測了天文學家觀測到的聚集現象。他們認為,在數百萬年的時間裡,外太陽系中一些天體的軌道會被銀河係自身的引力場拖向一致。
馬瑟爾說:”當他們將九號行星資料集中的天體軌道與銀河係自身的引力場進行對比時,發現兩者的吻合度非常驚人。”
作者提醒說,目前的資料集還很小,任何其他可能性都可能被證明是正確的;例如,其他天文學家認為軌道的特殊性是觀測偏差的結果。
“無論結果如何,”布朗說,”這項工作凸顯了外太陽係作為測試引力和研究物理學基本問題的實驗室的潛力。”