الفلك

ما مدى دقة قياسات الملاحظة لسرعة الجاذبية؟

ما مدى دقة قياسات الملاحظة لسرعة الجاذبية؟

تقول النسبية العامة أن الجاذبية تتحرك بسرعة ج. ما مدى دقة القياسات؟


الدقة جيدة للغاية بفضل LIGO والاندماج الثنائي للنجم النيوتروني. إنها دقيقة لحوالي 3 أجزاء في 1 كوادريليون!

شاهد الورقة البحثية موجات الجاذبية وأشعة جاما من اندماج ثنائي نيوترون ستار: GW170817 و GRB 170817A

تقيد الورقة "الفرق بين سرعة الجاذبية وسرعة الضوء لتكون بينهما $−3×10^{-15}$ و $+7×10^{−16}$ أضعاف سرعة الضوء ".

استجابة أقدم قبل ملاحظة LIGO:

تم قياس أحد أحدث الجاذبية لأول مرة في عام 2003 باستخدام كوكب المشتري وكوازار. كانت القياسات لغرض إثبات السرعة المحدودة ولم تكن دقيقة للغاية. انظر الصحيفة للمزيد.

في الآونة الأخيرة في عام 2013 ، قامت مجموعة صينية ببناء نموذج باستخدام المد والجزر على الأرض مما ساعدهم على تضييقه.

... تتراوح سرعات الجاذبية من 0.93 إلى 1.05 ضعف سرعة الضوء مع خطأ نسبي يبلغ حوالي 5٪. يوفر هذا أول مجموعة من الأدلة القوية لإظهار أن سرعة الجاذبية هي نفس سرعة الضوء.

هذا هو القياس الأكثر دقة الذي رأيته حتى الآن. انظر الصحيفة للمزيد.

في المستقبل القريب ، قد يتمكن LIGO من توفير قياسات أكثر دقة من خلال مقارنة المسافة بين أجهزة الكشف وتأخر المراقبة.

متعلق أيضًا ، راجع السؤال "كيف يتم قياس أدق قيمة لـ G؟"


ما مدى دقة قياسات الملاحظة لسرعة الجاذبية؟

ليس جدا. راجع مقالة ويكيبيديا حول سرعة الجاذبية والتي تشير إلى المعارضة المحيطة بادعاءات سيرجي كوبيكين وإدوارد فومالونت. من بين المنشقين كليفورد إم ويل وستيف كارليب اللذان يحظيان باحترام كبير. ذكرت ورقة عام 2016 حول اكتشاف LIGO أن السرعة المقاسة كانت أقل من 1.7c. وقالت الورقة الأحدث التي أعدها نيل كورنيش وآخرون إن المعدل يتراوح بين 0.55 و 1.4 درجة مئوية. هذا ليس دقيقًا على الإطلاق.

لاحظ أنه في علم الزلازل ، تنتقل موجات p و s بسرعات مختلفة. لذا ، لن يكون من غير المعقول توقع حركة موجات مختلفة في الفضاء بسرعات مختلفة. فيما يتعلق بما إذا كان ينبغي للمرء أن يتوقع أن تنتقل موجات الضوء وموجات الجاذبية بنفس السرعة بالضبط ، فهي مسألة مختلفة قليلاً ، ومعقدة بالطريقة التي يُعتقد أن موجة الجاذبية هي موجة رباعية الأقطاب.


يحاول فريق العلماء الدولي قياس سرعة الجاذبية

كولومبيا ، ميزوري - منذ أن اقترح ألبرت أينشتاين النظرية العامة للنسبية في عام 1916 ، اختبر الفيزيائيون في جميع أنحاء العالم المبادئ الأساسية للنظرية. في حين أن بعض المبادئ - مثل سرعة الضوء ثابتة - قد تم إثباتها ، فإن البعض الآخر لم يثبت. الآن ، من خلال مزيج من التكنولوجيا الحديثة ، ومحاذاة مجموعة فريدة من الأجرام السماوية في 8 سبتمبر ، وتجربة ابتكرها عالم فيزياء من جامعة ميسوري-كولومبيا ، قد يتم قريبًا إثبات واحد من هذه المبادئ.

قال سيرجي كوبيكين ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة إم يو ، "وفقًا لنظرية أينشتاين ، من المفترض أن تكون سرعة الجاذبية مساوية لسرعة الضوء". "بينما يوجد دليل غير مباشر على صحة هذا ، لم يتم قياس السرعة بشكل مباشر أبدًا ، وهذا ما نحاول القيام به في تجربة لن تكون ممكنة مرة أخرى لعقد آخر."

ستشمل التجربة قياسًا دقيقًا للمسافات الزاوية بين العديد من الكوازارات ، والأجرام السماوية في المجرات البعيدة التي تشبه النجوم. في الثامن من سبتمبر ، سيمر كوكب المشتري قريبًا جدًا من الكوازار الأساسي. عندما يحدث ذلك ، فإن جاذبيته ستتسبب في تحريك موقع الكوازار في السماء بمسافة تعتمد على سرعة الجاذبية. Kopeikin و Ed Fomalont ، عالم الفلك الراديوي في المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي (NRAO) التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم ، سيستخدمان تقنية رصد طوروها لمقارنة موقع الكوازار الأولي بموقع الكوازارات الأخرى التي لم تتأثر بالمشتري. باستخدام بياناتهم ، يأملون في تأكيد دقة نظرية أينشتاين بشكل أكبر.

سيتم إجراء القياسات باستخدام مصفوفة خط الأساس الطويل جدًا (VLBA) التابعة لـ NRAO ، وهي سلسلة من 10 تلسكوبات راديو بطول 25 مترًا تقع من جزر فيرجن إلى هاواي ، والتلسكوب الراديوي بطول 100 متر في إيفيلسبيرج ، ألمانيا ، والذي يتم تشغيله بواسطة معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي. قال Fomalont: "تشير نتائج ملاحظات اختبار VLBA الأخيرة إلى أنه يمكننا الوصول إلى الدقة اللازمة لتحديد سرعة الجاذبية إذا سارت التجربة بشكل جيد".

وقال كوبيكين: "سيجري علماء يابانيون ووكالة ناسا أيضًا التجربة بشكل مستقل باستخدام تلسكوبات أخرى حول العالم ، لذلك سنكون قادرين على مقارنة نتائجنا". "نعتقد أن النظرية العامة للنسبية صحيحة وأن سرعة الجاذبية تساوي سرعة الضوء".

قال فومالونت: "يمكن أيضًا استخدام التقنيات التي استخدمناها لهذه التجربة لتحديد موقع الأجسام الأخرى في الفضاء بدقة أكبر". "من خلال تحديد المواقع بدقة أكبر للأقمار الصناعية ، يمكننا تحسين الاتصالات. ويمكن أيضًا تحسين الملاحة الفضائية غير المأهولة ، مما يسمح لنا باستكشاف النظام الشمسي بشكل أكثر تعمقًا."

وقال العلماء إن النتائج النهائية للتجربة ستكون متاحة في منتصف نوفمبر تشرين الثاني.


ما مدى دقة قياسات الملاحظة لسرعة الجاذبية؟ - الفلك

ما يقلقني هو ثبات c (سرعة الضوء) حيث ينتقل الضوء إلى وسط أكثر كثافة من الوسط الذي كان يسافر فيه سابقًا ، ويبطئ الضوء وينحني كسبب لذلك. بدا هذا مناقضًا لي أن سرعة الضوء ثابتة ومع ذلك تختلف سرعتها باختلاف الوسائط. لماذا لا يكون c ثابتًا في جميع الوسائط وهل هذا الاختلاف في c في الوسائط المختلفة يعني بأي حال أن الوقت يتدفق بشكل مختلف في الوسائط المختلفة؟

أنت محق في أن الحديث عن سرعة الضوء يمكن أن يكون مضللاً. عندما نناقش ثبات c فإننا نعني سرعة الضوء في الفراغ. نظرًا لأن الفضاء بين النجوم فارغ جدًا ويشبه إلى حد كبير الفراغ ، لا يضطر علماء الفلك عادةً إلى التفكير في سرعة الضوء في الوسائط المختلفة.

ومع ذلك ، فإن سرعة الضوء ليست ثابتة حيث ينتقل من متوسط ​​إلى متوسط. عندما يدخل الضوء إلى وسط أكثر كثافة (مثل من الهواء إلى الزجاج) ، تنخفض سرعة الموجة الضوئية وطولها الموجي بينما يظل التردد كما هو. يعتمد مقدار تباطؤ الضوء على معامل الانكسار للوسيط الجديد ، n. (سرعة الضوء في وسط بمؤشر n هي c / n.) يتم تحديد مؤشر الانكسار بواسطة الخواص الكهربائية والمغناطيسية للوسيط. بالنسبة للهواء ، n تساوي 1.0003 ، وللجليد ، n تساوي 1.31 ، وبالنسبة للماس ، n تساوي 2.417. إن انحناء الضوء الذي ذكرته عند الدخول إلى وسط أكثر كثافة هو كيفية عمل العدسات.

على الرغم من أن سرعة الضوء لم تعد ثابتة عندما نفكر في وسائط مختلفة ، إلا أننا نعلم أن الضوء ينتقل دائمًا بأسرع وقت في الفراغ. لا شيء يمكن أن يصل إلى سرعات أسرع من c (حسنًا ، هذا ليس صحيحًا تمامًا ، انظر هنا لمزيد من التفاصيل). وبالتالي من معادلتنا v = c / n ، يجب أن يكون n دائمًا أكبر من 1. يتحرك الضوء بشكل أبطأ عبر الوسائط الأكثر كثافة لأن المزيد من الجسيمات تعترض طريقه. في كل مرة يصطدم فيها الضوء بجسيم من الوسط ، يتم امتصاص الضوء مما يؤدي إلى اهتزاز الجسيم قليلاً ثم إعادة انبعاث الضوء. تسبب هذه العملية تأخيرًا زمنيًا في حركة الضوء ، لذا فكلما زاد عدد الجزيئات (كلما كان الوسط أكثر كثافة) ، كلما تباطأ الضوء.

تم آخر تحديث لهذه الصفحة في 27 حزيران (يونيو) 2015.

عن المؤلف

سابرينا ستيروالت

كانت سابرينا طالبة دراسات عليا في جامعة كورنيل حتى عام 2009 عندما انتقلت إلى لوس أنجلوس لتصبح باحثة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. وهي الآن تدرس اندماج المجرات في جامعة فيرجينيا والمرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي في شارلوتسفيل. يمكنك أيضًا العثور عليها وهي تجيب على الأسئلة العلمية في البودكاست الأسبوعي الخاص بها باسم Everyday Einstein.


الجدل حول سرعة الجاذبية

قال إد فومالونت ، عالم الفلك في المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي (NRAO) في شارلوتسفيل ، فيرجينيا: "لقد قررنا أن سرعة انتشار الجاذبية تساوي سرعة الضوء بدقة تبلغ 20 بالمائة". استخدم العلماء مصفوفة خط الأساس الطويل جدًا (VLBA) التابعة لمؤسسة العلوم الوطنية ، وهي عبارة عن نظام تلسكوب لاسلكي على مستوى القارة ، جنبًا إلى جنب مع تلسكوب لاسلكي بطول 100 متر في إيفيلسبيرج ، ألمانيا ، لإجراء مراقبة دقيقة للغاية عندما مر كوكب المشتري تقريبًا في أمام نجم كوازار لامع في 8 سبتمبر 2002.

"سجلت الملاحظة" انحناءًا "طفيفًا جدًا لموجات الراديو القادمة من الكوازار الخلفي من خلال تأثير جاذبية المشتري. أدى الانحناء إلى تغيير طفيف في الموقع الظاهري للكوازار في السماء.

قال كوبيكين: "نظرًا لأن المشتري يتحرك حول الشمس ، فإن المقدار الدقيق للانحناء يعتمد بشكل طفيف على السرعة التي تنتشر بها الجاذبية من كوكب المشتري".

"كان هدفنا الرئيسي هو استبعاد سرعة الجاذبية اللانهائية ، وقد فعلنا بشكل أفضل. نحن نعلم الآن أن سرعة الجاذبية ربما تكون مساوية لسرعة الضوء ، ويمكننا بثقة استبعاد أي سرعة للجاذبية تزيد عن ضعف سرعة الضوء ".

كنت أعتقد أن هذا كان مقبولاً من قبل العلماء ، إلى أن نشر عضو آخر هناك هذا الرابط لورقة تدحض نتائج Kopeikin: http://www.metaresearch.org/media٪20and٪20links/press/SOG-Kopeikin.asp [ مكسور]

فيما يلي بعض الاقتباسات ذات الصلة من تلك الورقة:

"الملخص. تم الإعلان عن نتائج جديدة في 2003/01/08 بواسطة S. Kopeikin ، مدعيا أنها قست "سرعة الجاذبية" ووجدتها مساوية لسرعة الضوء. هذه النتائج غير صالحة حسب المعايير التجريبية والنظرية لأن الكمية المقاسة كانت معروفة بالفعل لتنتشر بسرعة الضوء. وبالتالي ، فإن الادعاءات المضللة تضر بالعلم بشكل عام وتقدم الفيزياء بشكل خاص لأن النتائج المعلنة لا تمثل معنى النتائج التجريبية الفعلية ولا يمكن أن تمثل الكمية الفيزيائية التي تسمى حتى الآن `` سرعة الجاذبية '' ، والتي لديها لقد تم إثباته بالفعل من خلال ست تجارب أنه ينتشر أسرع بكثير من الضوء ، وربما أسرع بمليارات المرات. ذكر العديد من النسبيين الرئيسيين أيضًا عدم موافقتهم على أن التجربة قاست حقًا ما ادعت أنها تقيسه.

تحتوي الورقة البحثية الأخيرة لكوبيكين على الإنترنت ، والتي تقدم أساس النتائج التي توصل إليها والتي تم الإعلان عنها في اجتماع الجمعية الأمريكية للعلوم ، على بعض الأخطاء الفادحة. تظهر الإدعاءات التالية فيه: "... جسم جاذبي متحرك يحرف الضوء ليس بشكل فوري ولكن مع تأخير ناتج عن سرعة الجاذبية المحدودة المنتشرة من الجسم إلى شعاع الضوء. … قمنا بحساب هذا التصحيح للمشتري من خلال الاستفادة من تقريب ما بعد مينكوفسك على أساس حلول Lienard-Wiechert المتخلفة لمعادلات أينشتاين. ... يجب أن تدخل سرعة الجاذبية cg إلى الجانب الأيسر من معادلات أينشتاين (2) ... سيؤدي ذلك إلى اعتماد عامل الموجة بشكل صريح على سرعة الجاذبية cg. "

"لا شيء من هذه العبارات صحيح حتى في GR ، بشرط أن تحتفظ" سرعة الجاذبية "بمعناها الكلاسيكي للقرنين الماضيين من سرعة انتشار القوة. تتطلب معادلات أينشتاين أن يعمل المجال المحتمل لجميع الأجسام من الاتجاه اللحظي للجسم ، وليس اتجاهه المتخلف ، لأنها تحدد تأخير انتشار التدرج إلى الصفر. لكن Kopeikin يتبنى الشمس تتصرف من موقعها اللحظي ويتصرف المشتري من موقعه المتخلف ، وهو أمر غير متسق. في الواقع ، على الرغم من أن الشمس تتحرك أبطأ 1000 مرة من كوكب المشتري ، إلا أنها أكبر بمقدار 1000 مرة ، مما يجعل أي تأثيرات تخلف افتراضية مهمة نسبيًا. تعتبر معادلات Lienard-Wiechert التخلف في المسافة المتبادلة ، ولكن ليس في الاتجاه - الأخير هو تأثير أكبر بكثير لتأخير الانتشار. والمعلمة الموجودة على الجانب الأيسر من معادلات أينشتاين هي c2 ، وبالتالي لا علاقة لها بسرعة الجاذبية ، كما أشرنا أعلاه. هذا لا يمنع Kopeikin من تسميته "cg" وحل هذه المعلمة كما لو كانت سرعة الجاذبية ، وهو ما فعله ".

لدي بضعة أسئلة. هل هناك اتفاق عام الآن على أن فريق كوبيكين فشل في قياس سرعة الجاذبية؟ هل من المتفق عليه عمومًا أن سرعة الجاذبية فرض هي لحظية تقريبا؟ في المقالة أعلاه استشهدوا بالتجربة الفكرية التالية التي تبدو منطقية:

"تجربة فكرية شائعة تسأل:" ماذا سيحدث لمدار الأرض إذا توقفت الشمس فجأة عن الوجود؟ "الجواب واضح الآن. العلاقة المعتادة "القوة هي تدرج الإمكانات" ستنتهي على الفور. سيبدأ المجال المحتمل للشمس بعد ذلك في التبدد ، ويستغرق 8.3 دقيقة ليتبدد إلى مسافة مدار الأرض ، لذا فإن التأثيرات مثل انحناء الضوء وتباطؤ الساعة ستستمر لفترة طويلة. لكن المكون النيوتوني لقوة الجاذبية ، القوة التي تبقي الأرض في مدارها ، سيتوقف على الفور تقريبًا ، وستطير الأرض على طول خط مستقيم مثل الوزن على دوّامة دوارة تحررت من مراسيها. "

أردت في الأساس أن أسأل هذا. إذا كانت سرعة الجاذبية لحظية تقريبًا ، فما هي أفكار الناس حول ما تفعله الجاذبية بالفضاء والذي من شأنه أن يسبب ذلك؟ على سبيل المثال ، هل سيكون من غير المناسب رؤية الكتلة على أنها "ذات تأثير مقيد" على الفضاء؟

في هذه الحالة ، سيؤثر تأثير الانقباض في نفس الوقت على كل مكان تمتد فيه القوة ، ثم يختفي في نفس الوقت في كل مكان إذا توقفت الشمس فجأة عن الوجود ، كما في المثال أعلاه.


مزيد من الأدلة على وجود مشكلة في قلب النموذج القياسي

انطباع فنان عن قرص ضخم من الماء يدور حول ثقب أسود هائل في مجرة ​​بعيدة. من خلال قياس انبعاثات مازر من هذه الأقراص ، يمكن لعلماء الفلك تحديد المسافة إلى المجرة المضيفة. هذه البيانات ، بدورها ، يمكن استخدامها لحساب ثابت هابل. الصورة: صوفيا داجنيلو ، NRAO / AUI / NSF

أدت مجموعة جديدة من قياسات المسافة الدقيقة التي تم إجراؤها باستخدام مجموعة دولية من التلسكوبات الراديوية إلى زيادة كبيرة في احتمالية حاجة المنظرين إلى مراجعة "النموذج القياسي" الذي يصف الطبيعة الأساسية للكون.

سمحت قياسات المسافة الجديدة لعلماء الفلك بتحسين حساباتهم لثابت هابل ، معدل تمدد الكون ، وهي قيمة مهمة لاختبار النموذج النظري الذي يصف تكوين الكون وتطوره. تكمن المشكلة في أن القياسات الجديدة تؤدي إلى تفاقم التناقض بين القيم التي تم قياسها مسبقًا لثابت هابل والقيمة التي تنبأ بها النموذج عند تطبيقها على قياسات الخلفية الكونية الميكروية التي أجراها القمر الصناعي بلانك.

قال جيمس براتز ، من المرصد الوطني لعلم الفلك (NRAO): "وجدنا أن المجرات أقرب مما توقعه النموذج القياسي لعلم الكونيات ، مما يؤكد مشكلة تم تحديدها في أنواع أخرى من قياسات المسافة ، & # 8221". & # 8220 كان هناك جدل حول ما إذا كانت هذه المشكلة تكمن في النموذج نفسه أو في القياسات المستخدمة لاختباره.

& # 8220 يستخدم عملنا تقنية قياس المسافة مستقلة تمامًا عن الآخرين ، ونعزز التباين بين القيم المقاسة والمتوقعة. من المحتمل أن يكون النموذج الكوني الأساسي المتضمن في التنبؤات هو المشكلة ".

يقود براتز مشروع Megamaser Cosmology ، وهو جهد دولي لقياس ثابت هابل من خلال إيجاد مجرات ذات خصائص محددة تصلح لإنتاج مسافات هندسية دقيقة.

قام إدوين هابل ، الذي سمي على اسمه تلسكوب هابل الفضائي المداري ، بحساب معدل تمدد الكون (ثابت هابل) في عام 1929 عن طريق قياس المسافات إلى المجرات وسرعات انحسارها. كلما كانت المجرة بعيدة ، زادت سرعة ركودها عن الأرض. اليوم ، لا يزال ثابت هابل خاصية أساسية لعلم الكون القائم على الملاحظة ومحور للعديد من الدراسات الحديثة.

قياس سرعات الركود في المجرات بسيط نسبيًا. ومع ذلك ، كان تحديد المسافات الكونية مهمة صعبة لعلماء الفلك. بالنسبة للأجسام الموجودة في مجرتنا درب التبانة ، يمكن لعلماء الفلك الحصول على مسافات عن طريق قياس الانزياح الظاهري في موضع الجسم عند النظر إليه من جوانب متقابلة من مدار الأرض حول الشمس ، وهو تأثير يسمى المنظر. تم إجراء أول قياس من هذا النوع لمسافة اختلاف المنظر للنجم في عام 1838.

بعيدًا عن مجرتنا ، فإن المنظر أصغر من أن يتم قياسه ، لذلك اعتمد علماء الفلك على أجسام تسمى "الشموع القياسية" ، والتي سميت بهذا الاسم لأن سطوعها الجوهري معروف. يمكن حساب المسافة إلى كائن ذي سطوع معروف بناءً على مدى تعتيم ظهور الكائن من الأرض. تتضمن هذه الشموع القياسية فئة من النجوم تسمى متغيرات Cepheid ونوعًا معينًا من الانفجار النجمي يسمى مستعر أعظم من النوع Ia.

طريقة أخرى لتقدير معدل التمدد تتضمن مراقبة الكوازارات البعيدة التي ينحني ضوءها عن طريق تأثير الجاذبية لمجرة في المقدمة إلى صور متعددة. عندما يختلف سطوع الكوازار ، يظهر التغيير في الصور المختلفة في أوقات مختلفة. ينتج عن قياس هذا الفارق الزمني ، جنبًا إلى جنب مع حسابات هندسة انحناء الضوء ، تقديرًا لمعدل التمدد.

أنتج تحديد ثابت هابل بناءً على الشموع القياسية وأشباه النجوم ذات العدسة الجاذبية أرقامًا تتراوح بين 73 و 74 كيلومترًا في الثانية (السرعة) لكل ميجا فرسخ (المسافة بالوحدات التي يفضلها علماء الفلك).

ومع ذلك ، فإن تنبؤات ثابت هابل من النموذج الكوني القياسي عند تطبيقها على قياسات الخلفية الكونية الميكروية (CMB) - الإشعاع المتبقي من الانفجار العظيم - تنتج قيمة 67.4 ، وهو فرق مهم ومقلق. هذا الاختلاف ، الذي يقول علماء الفلك أنه يتجاوز الأخطاء التجريبية في الملاحظات ، له آثار خطيرة على النموذج القياسي.

يركز مشروع Megamaser Cosmology على المجرات ذات الأقراص من الغاز الجزيئي الحامل للماء والتي تدور حول الثقوب السوداء الهائلة في مراكز المجرات. إذا شوهد القرص المداري بالقرب من حافة الأرض ، فيمكن استخدام البقع المضيئة لانبعاث الراديو ، والتي تسمى الماسرات - نظائر الراديو لليزر الضوء المرئي - لتحديد كل من الحجم المادي للقرص ومداها الزاوي ، وبالتالي ، من خلال الهندسة ، بعدها. يستخدم فريق المشروع المجموعة العالمية من التلسكوبات الراديوية لإجراء القياسات الدقيقة المطلوبة لهذه التقنية.

في عملهم الأخير ، صقل الفريق قياسات المسافة لأربع مجرات ، على مسافات تتراوح من 168 مليون سنة ضوئية إلى 431 مليون سنة ضوئية. بالاقتران مع قياسات المسافة السابقة لمجرتين أخريين ، أنتجت حساباتهم قيمة لثابت هابل تبلغ 73.9 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ.

"قياسنا لثابت هابل قريب جدًا من القياسات الحديثة الأخرى ، ومختلف جدًا من الناحية الإحصائية عن التنبؤات المستندة إلى CMB والنموذج الكوني القياسي. قال براتز: "تشير جميع الدلائل إلى أن النموذج القياسي يحتاج إلى مراجعة".


ما مدى دقة قياسات الملاحظة لسرعة الجاذبية؟ - الفلك

منذ أن اقترح ألبرت أينشتاين النظرية العامة للنسبية في عام 1916 ، قام الفيزيائيون في جميع أنحاء العالم باختبار المبادئ الأساسية للنظرية. في حين أن بعض المبادئ - مثل سرعة الضوء ثابتة - قد تم إثباتها ، فإن البعض الآخر لم يثبت. الآن ، من خلال مزيج من التكنولوجيا الحديثة ، ومحاذاة مجموعة فريدة من الأجرام السماوية في 8 سبتمبر ، وتجربة ابتكرها عالم فيزياء من جامعة ميسوري-كولومبيا ، قد يتم قريبًا إثبات واحد من هذه المبادئ.

قال سيرجي كوبيكين ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة إم يو ، "وفقًا لنظرية أينشتاين ، من المفترض أن تكون سرعة الجاذبية مساوية لسرعة الضوء". "بينما يوجد دليل غير مباشر على صحة هذا ، لم يتم قياس السرعة بشكل مباشر أبدًا ، وهذا ما نحاول القيام به في تجربة لن تكون ممكنة مرة أخرى لعقد آخر."

ستشمل التجربة قياسًا دقيقًا للمسافات الزاوية بين العديد من الكوازارات ، والأجرام السماوية في المجرات البعيدة التي تشبه النجوم. في الثامن من سبتمبر ، سيمر كوكب المشتري قريبًا جدًا من الكوازار الأساسي. عندما يحدث ذلك ، فإن جاذبيته ستتسبب في تحريك موقع الكوازار في السماء بمسافة تعتمد على سرعة الجاذبية. Kopeikin و Ed Fomalont ، عالم الفلك الراديوي في المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي (NRAO) التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم ، سيستخدمان تقنية رصد طوروها لمقارنة موقع الكوازار الأولي بموقع الكوازارات الأخرى التي لم تتأثر بالمشتري. باستخدام بياناتهم ، يأملون في تأكيد دقة نظرية أينشتاين بشكل أكبر.

سيتم إجراء القياسات باستخدام مصفوفة خط الأساس الطويل جدًا (VLBA) التابعة لـ NRAO ، وهي سلسلة من 10 تلسكوبات راديو بطول 25 مترًا تقع من جزر فيرجن إلى هاواي ، والتلسكوب الراديوي بطول 100 متر في إيفيلسبيرج ، ألمانيا ، والذي يتم تشغيله بواسطة معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي. قال Fomalont: "تشير نتائج ملاحظات اختبار VLBA الأخيرة إلى أنه يمكننا الوصول إلى الدقة اللازمة لتحديد سرعة الجاذبية إذا سارت التجربة بشكل جيد".

وقال كوبيكين: "سيجري علماء يابانيون ووكالة ناسا أيضًا التجربة بشكل مستقل باستخدام تلسكوبات أخرى حول العالم ، لذا سنكون قادرين على مقارنة النتائج التي توصلنا إليها". "نعتقد أن النظرية العامة للنسبية صحيحة وأن سرعة الجاذبية تساوي سرعة الضوء".

قال فومالونت: "يمكن أيضًا استخدام التقنيات التي استخدمناها لهذه التجربة لتحديد موقع الأجسام الأخرى في الفضاء بدقة أكبر". "مع تحديد المواقع بدقة أكبر للأقمار الصناعية ، يمكننا تحسين الاتصالات. ويمكن أيضًا تحسين الملاحة الفضائية غير المأهولة ، مما يسمح لنا باستكشاف النظام الشمسي بشكل أكثر تعمقًا."

وقال العلماء إن النتائج النهائية للتجربة ستكون متاحة في منتصف نوفمبر تشرين الثاني.

هابل
يقدم علم الفلك الآن هابل: نظرة التلسكوب الفضائي للكون. مجموعة من أفضل الصور من المرصد الفضائي الأول في العالم.
متجر الولايات المتحدة
المملكة المتحدة ومتجر في جميع أنحاء العالم
أبولو 15 دي في دي
أحضر قطعة فريدة من تاريخ الفضاء إلى غرفة المعيشة الخاصة بك. سيتم شحن أقراص Apollo 15 DVD المكونة من قرصين وستة أقراص قريبًا.
متجر الولايات المتحدة
المملكة المتحدة ومتجر في جميع أنحاء العالم


يتعمق لغز الجاذبية المستمرة مع قياسات دقيقة جديدة

اثنان من القياسات الدقيقة للغاية لثابت الجاذبية جي أسفرت عن قيم مختلفة بشكل كبير. تم إجراء التجربتين بواسطة علماء فيزيائيين في الصين ، وتؤدي النتائج إلى تعميق الغموض الذي يكتنف سبب ثبوت استحالة التوصل إلى توافق في الآراء بشأن قيمة جي، وهو ثابت فيزيائي أساسي.

وفقًا لقانون نيوتن العالمي للجاذبية ، فإن قوة الجاذبية (F) التي تجذب جسمين من الكتلة م1 و م2 مفصولة بمسافة د اعطي من قبل جم1م2/د 2. القياس الأول لـ جي تم صنعه في عام 1798 بواسطة هنري كافنديش ، الذي استخدم ميزان الالتواء الذي صممه جون ميشيل لقياس الثابت مع عدم اليقين بنسبة 1٪.

يتكون توازن الالتواء من كتلة على شكل دمبل معلقة من مركزها بواسطة سلك رفيع. يتم وضع كتلتين خارجيتين كبيرتين على جانبي الدمبل بطريقة تجعل جاذبيتهما تجاذبًا لعزم دوران على الدمبل ، مما يؤدي إلى تدويره. عندما يلتف السلك ، يتم مواجهة عزم الجاذبية عن طريق الالتواء في السلك حتى يستقر الدمبل. بتحليل هذه الحركة ، جي يمكن حسابها.

نتائج ملتوية

منذ ذلك الحين ، تم إجراء أكثر من 200 تجربة للقياس جي لدقة أعلى من أي وقت مضى. القيمة المقبولة اليوم هي مزيج من عدة قياسات مستقلة ولديها عدم يقين نسبي يبلغ 47 جزءًا في المليون (جزء في المليون). ومع ذلك ، فإن بعض التجارب الفردية لديها شكوك أقل بكثير - حتى الآن ، الأصغر كان 13.7 جزء في المليون - وبعض هذه القياسات الدقيقة للغاية لا تتفق مع أكثر من 500 جزء في المليون.

وقد ترك هذا علماء الفيزياء في حيرة من أمرهم بشأن سبب عدم إمكانية التوصل إلى إجماع تجريبي على قيمة جي. الآن ، تم تعميق هذا اللغز من قبل شان تشينغ يانغ وتشينغ جانج شاو وجون لو وزملاء في جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا ومعاهد أخرى في الصين وروسيا. لقد أجروا شكلين مختلفين في تجربة توازن الالتواء في نفس المختبر ، فقط لقياس قيم مختلفة بشكل كبير من جي.

تستخدم إحدى التجارب تقنية وقت التأرجح (TOS) ، والتي يتأرجح فيها البندول. يتم تحديد وتيرة التذبذب من خلال مواضع الجماهير الخارجية و جي يمكن استنتاجها بمقارنة الترددات لتكوينين مختلفين للكتلة. تستخدم التجربة الثانية طريقة التغذية المرتدة للتسارع الزاوي (AAF) ، والتي تتضمن تدوير الكتل الخارجية والبندول على قرصين دوارين منفصلين. تراقب آلية التغذية الراجعة زاوية الالتواء للبندول ، والتي يتم تثبيتها عند الصفر عن طريق تغيير السرعة الزاوية لأحد الأقراص الدوارة. جي ثم يتم حسابها من معدل التغيير المطلوب إلى صفر الزاوية.

نتفق على أن نختلف

قياسات Huazhong TOS و AAF لـ جي لديها نسبة عدم يقين قياسية تبلغ 11.64 جزء في المليون و 11.61 جزء في المليون على التوالي. بينما يتوافق قياس TOS مع القيمة المقبولة لـ جي إلى داخل حالات عدم اليقين ، فإن نتيجة AAF لا تفعل ذلك. في الواقع ، تبلغ قيمة AAF حوالي 45 جزء في المليون أكبر من نتيجة TOS. علاوة على ذلك ، تتعارض هذه النتائج الأخيرة مع القياسات السابقة التي أجراها فريق Huazhong.

على الرغم من التحسن الأخير في الدقة ، فإن سبب (أو أسباب) التناقضات بين جي القياسات لا تزال لغزا. التفسير الأكثر ترجيحًا هو أن الباحثين قد قللوا أو أغفلوا مصدرًا واحدًا أو أكثر من مصادر الخطأ التجريبي. يقترح فريق Huazhong أن مرونة السلك يمكن أن تكون السبب. قد يؤثر هذا على تجربة TOS لأنه قد يعني أن ثابت الزنبرك للسلك يمكن أن يكون مختلفًا عند ترددي التذبذب المختلفين.

الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو احتمال أن يكون هناك جانب غير معروف من الفيزياء يلعب دورًا ، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من القياسات قبل أن نعرف على وجه اليقين.


الكون حسب "علم الفلك الرصدي"

ربما يكون السؤال الأول الذي يجب طرحه هو ، ماذا يعني المرء ب "علم الفلك الرصدي"؟

يُفهم عمومًا أنك تقوم بتسجيل البيانات: حركة جسم عبر السماء ، والتباين في السطوع ، وما إلى ذلك ، الخصائص الملاحظة الصارمة التي تعتمد على عدم التفسير المادي للأسباب الكامنة.

يفترض علم الفلك الرصدي أن الكون لا يحتوي على معلومات إضافية موثوقة حول الظروف الفيزيائية في أماكن أخرى من الفضاء - الكثافات ودرجات الحرارة والكتل وما إلى ذلك. يجب أن تضع كل هذه الأنواع من القياسات افتراضات حول مسافات الأجسام ، فضلاً عن حجمها ومقاييسها الزمنية.

كان إسحاق نيوتن أول عالم فيزياء فلكية ، حوَّل ملاحظات الحركات في السماء إلى افتراض الأسباب الكامنة وراء ذلك. على وجه التحديد ، افترض نيوتن أن القوة التي تحافظ على الكواكب في مسارات منتظمة حول السماء هي نفس القوة التي تجعل الأجسام تسقط على سطح الأرض. لقد وضعت فكرة مركزية الشمس على أساس مادي أكثر ثباتًا ، على عكس المفهوم التوراتي لمركزية الأرض الذي لا يزال يدافع عنه البعض اليوم بناءً على تفسيرهم التوراتي (مركزية الأرض ، DwCiA: مركزية الأرض الكتابية).

كان علم الفلك كله `` رصديًا '' قبل الخمسينيات من القرن الماضي ، حيث لم تكن هناك طرق للذهاب فعليًا إلى كوكب بعيد أو نجم لإجراء تجارب حقيقية لاختبار أفكارنا حول الظروف هناك. لم يتم اختبار الجاذبية النيوتونية ، مثل عرض "مدفع نيوتن" (ويكيبيديا) على نطاق هندسي حتى عام 1957 مع إطلاق سبوتنيك.

في "علم الفلك الرصدي" ، لا يمكن تمييز الكون عن سطح كروي على مسافة ثابتة حول الأرض. لا تُعد تأثيرات المنظر دليلاً على وجود بنية ثلاثية الأبعاد فعلية حيث يمكن اختلاق طرق لخداع المراقبين بأن الاختلاف في المنظر حقيقي. يجب أن يستدعي مؤيدو الخلق في Young-Earth حيلة مماثلة لمشكلة Light Travel Time (RationalWiki: Starlight Problem). على الرغم من ذلك ، من خلال قبولهم الخاص ، ليس لديهم حل عملي لمشكلة وقت السفر الخفيف (DailyKos: أحدث بحث علمي للخلق من AiG تم إصداره للتو!) يريد بعض علماء خلق الأرض الشباب أن يزعموا أن كل شيء آخر صالح. ومع ذلك ، فإن كل علم الفلك يعتمد على مسألة السفر الخفيف. إنها الطريقة التي نعرف بها حركات ومقاييس الأجسام البعيدة التي تُستنتج منها الخصائص الأخرى.

في نموذج "علم الفلك المرصود" ، تكون الملاحظات ذات قيمة قليلة تتجاوز ضبط الوقت الأرضي الأساسي ، إلى حد كبير الطريقة التي استخدم بها القدماء الأبراج لتحديد الوقت من العام لزراعة المحاصيل ، وما إلى ذلك. وهذا يعني أن العديد من أنواع الملاحظات الأخرى ، مثل النجوم الثنائية الطيفية ، وهي مجال دراسة الدكتور فولكنر ، ليس لها آثار عملية أو تطبيقات.


سرعة الجاذبية

كما تعلمون ، مع كل الأدوات الفاخرة التي نبنيها لمحاولة العثور على موجات الجاذبية من الفضاء الخارجي ، تتساءل لماذا لم نبتكر تجربة لقياس سرعة تغيرات الجاذبية على النطاق الأصغر.
أعلم أنه من الصعب إخلاء حجم كبير بما يكفي لاحتواء جسم ضخم كبير بالداخل ، ولكن يمكن القيام بذلك. أعتقد بكل ثقة أن تأثيرات الجاذبية تنتقل بسرعة الضوء.
ألن يكون الأمر مثيرًا للاهتمام ، إذا اكتشفنا أنه قد سافر بسرعة الضوء 137.036 مرة أو شيء من هذا القبيل؟ سيكون لدينا سبب وجيه لثابت اقتران الهيكل الدقيق. ولكن لا توجد جهود بحثية في المقدمة لتحديد هذا & quot؛ السرعة & quot كما قرأت على الويب. آمل أن ينظر شخص ما في ذلك قريبًا ، قد يكون مفيدًا.

لدي فكرة عن طريقة رخيصة يمكن القيام بها.
- في أنبوب مفرغ ، ضع وزنين 1 كجم (لتحقيق التوازن) على محرك صغير ، وقم بتدويرهما بسرعة كبيرة بسرعة دوران ثابتة.
- ثم على مسافات معينة من الأوزان الدوارة ، يكون لديك كتل صغيرة جدًا معلقة أيضًا في الأنبوب.
-مراقبة النظام على مدى فترة طويلة من الزمن (بحيث يكون للذبذبات وقت للاستقرار). واستخدم ضوء ذو طول موجي ثابت لقياس مواضع الكتل الأصغر في أوقات محددة.

يجب أن تخبرنا مواضع الكتل الصغيرة بالنسبة للضوء بشيء أكثر من مجرد ثابت الزنبرك للجهاز المستخدم لإصلاحها.

أرسلها في الأصل إريك شويدل
لدي فكرة عن طريقة رخيصة يمكن القيام بها.
- في أنبوب مفرغ ، ضع وزنين 1 كجم (لتحقيق التوازن) على محرك صغير ، وقم بتدويرهما بسرعة كبيرة بسرعة دوران ثابتة.
- ثم على مسافات معينة من الأوزان الدوارة ، يكون لديك كتل صغيرة جدًا معلقة أيضًا في الأنبوب.
-مراقبة النظام على مدى فترة زمنية طويلة (بحيث يكون للذبذبات وقت للاستقرار). واستخدم ضوء ذو طول موجي ثابت لقياس مواضع الكتل الأصغر في أوقات محددة.

يجب أن تخبرنا مواضع الكتل الصغيرة بالنسبة للضوء بشيء أكثر من مجرد ثابت الزنبرك للجهاز المستخدم لإصلاحها.

فكرة ذكية ولكن. واحسرتاه.
يجب إجراء التجربة بعيدًا عن الأجسام الضخمة ، مثل الأرض. الاختلاف في جاذبية G على مكوك الفضاء على الأرض وفي المدار يكاد لا يكاد يذكر. من شأن تأثير الأرض على التجربة أن يغمر أي اختلاف (بالرغم من وجوده)

ثانيًا ، ما ستقيسه هو أكثر توضيحًا لقانون التربيع العكسي ثم vG.

To do this we would have to devise a real world experiment that parallels Einstein's thought experiment of the disappearance of the Sun and it's effect on Earth. I.E have a body that exerts a gravitational attraction on another body and then have that effect disappear instantainiously. We can do that with an electromagnet and a piece of iron , where we stop the current flow to the EM, but not Grav.

There was a report in a New Scientist magazine a while back (i cant remember which one) where apparently some scientist had used some data and equations, as you do, and worked out the speed of gravity. It is slightly slower than the speed of light, sorry to be unglamourous, but i dont know the exact figure, maybe someone with more patience and/or knowledge would care to fill in my blanks.

In fact, what Tron said above, is true though, if the sun burned out, then after 8 minutes it would be dark and cold, and a little time after that, the earth would spin off into space. worrying thought that!

Here's an excellent summary of the subject.

- The gravitational effect of an oscillating mass at a given frequency, gravity should transfer this same frequency (or another harmonic one) to the smaller masses. This slight movement at a specific frequency is what would have to be anaylized, and then the specific phase difference would reveal the speed that gravity transfers the energy. This way, things like people walking by, or sprinkler's making the ground outside wet, etc. shouldn't effect the results.

- This still wouldn't be easy to measure, though, as most of you point out. Because say we hold the smaller masses in the vacuum via magnetic field for less friction, then something as slight as radio waves - or noise from any electric motors, would distort the effect. The advantage, though, would be that a small amount of force would be cummulative over large spans of time at a discrete frequency.

- Since these gravity wave detectors have to know the precise position of the moon, I wonder if somehow this can be tracked to a precise time, and then compared with it's observed position (via light speed). Does anyone know someone involved in those studies to see if that would even be feesible?

Originally posted by jimmy p
There was a report in a New Scientist magazine a while back (i cant remember which one) where apparently some scientist had used some data and equations, as you do, and worked out the speed of gravity. It is slightly slower than the speed of light, sorry to be unglamourous, but i dont know the exact figure, maybe someone with more patience and/or knowledge would care to fill in my blanks.

In fact, what Tron said above, is true though, if the sun burned out, then after 8 minutes it would be dark and cold, and a little time after that, the earth would spin off into space. worrying thought that!

This is one reference to the experiment that I think you are referring to (there are many others):
http://www.nature.com/nsu/030106/030106-8.html

Note that the interpretation of the results received at least one significant challenge:
http://www.spacedaily.com/news/gravity-03d.html

In your suggested experiment, does the periodic signal become easier to detect because of its known frequency (so the faint signal may be found even if it's several OOM below the noise level), or that the magnitude of the effect is cumulative? If the latter, why would this amplification happen?

As mentioned here and in the reference jimmy p provided, the best chance of making an observational test would be through timing differences in neutrino, EM, and gravitational wave signals from a supernova or colliding neutron star/BH event.

Wait, you are worried about effects being instantaneous after you instantaneously dropped the whole sun? I don't like logical reasoning from impossible scenarios. :)

Can anyone confirm Gara, point to some references about gravity feeling instant. Do planets and galaxies spin as they should with gravity delay? Anyone can prove this wrong so I can go on with my life?

EDIT: Just read Tronks link. Bollocks.

Question concerning the speed of gravity: does gravity propagate at the speed of light?

Empty space has certain physical properties, including springiness and inertia, and it momentarily compresses or stretches when an oscillating gravitational wave passes through it. (These properties of space are related to Newton’s universal gravitational constant, and to a gravitational constant that is the gravitational analogue of the magnetic force constant in electromagnetism, and they can be written in terms of these constants). The speed of gravitational waves through empty space is: s = square root of the ratio of the springiness of space (in its spatial dimensions) to its inertia (See, for example, chapter 3, pg 32 of the teacher’s edition of the fascinating little book entitled: Similarities in Wave Behavior, by Dr. John N Shive, director of education and training Bell Telephone Laboratories, Waverly Press, Inc., third printing 1964. So the speed of gravitational waves has to be finite. Although we have not yet detected or measured the speed of gravitational waves (we have one experiment, but it is in dispute), some believe its speed to be the speed of light on theoretical grounds, as noted elsewhere in these replies. (If it is the speed of light, that has some important physical ramifications for the relationship between fields). But the important point here is that its speed has to be finite.

But, as has also been noted in these replies, it has been documented in the literature that the force of gravity, say between the Earth and the Sun, is along the direction of a line connecting the current position of the Sun with the current position of the Earth, and that if the earth were attracted to the retarded position of the Sun (to the point occupied by the Sun 8 minutes earlier or whatever) instead of the current position, the solar orbits of the Earth and planets would be unstable. But we know from experience that they are not unstable, all of which seems to imply that the gravitational influence of the Sun reaches the Earth instantaneously. So we have a paradox (or at least an apparent paradox).

No reason to despair, though, for the laws of physics are incomplete, and, as such, there exist physical anomalies that cannot be explained with the current laws of physics. Unfortunately, such things are often swept under the rug because they cannot be explained, and are even suppressed, but paradoxes and anomalies lead to important advances in the laws of physics--they are critically important clues.

UltraPi1 is correct, it is possible to have gravitational influences traveling at finite speed while at the same time having planets respond to the instantaneous position of the Sun. It works like this: the Earth is attracted to both the retarded position of the Sun and to its advanced position (that is, to where it was eight minutes ago, and to where it will be eight minutes from now)--the gravitational influence of the Sun travels forwards in time to the Earth from the Sun’s retarded position at the speed of light, it also travels backwards in time to the Earth from the Sun’s advanced position at the speed of light. And the vector sum of the two pulls is towards the instantaneous position of the Sun, with a magnitude equal to one half of the sum of the two pulls (at least when the sun is moving at constant speed). This gives the uncanny appearance of action at a distance when in fact it is not. It was Wheeler and Feynman who first proposed this theory, except I think they had electromagnetic interactions in mind rather than gravitational ones, and it was referred to as “The Wheeler-Feynman absorber theory”--a theory of interaction between particles that radiate a traveling wave and particles that absorb that wave no matter how far apart they may be. A brief general discussion of it can be found at http://en.wikipedia.org/wiki/Wheeler-Feynman_absorber_theory (This paradox, by the way, is similar to the Einstein-Podolsky-Rosen paradox in quantum mechanics, which also gives the appearance of action at a distance, but which can be resolved in the same way--quantum mechanics involves backwards in time causality, which accounts for some of its strangeness).

The laws of physics are symmetric with respect to things traveling forward in time and those traveling backwards in time. The Maxwell’s equations and the wave equation for electromagnetic waves and Schrödinger’s equation for matter waves, for example, all have two possible solutions: a retarded solution and an advanced one--the total solution being the sum or superposition of the two. But as Feynman emphatically points out in his Lectures on Physics, electromagnetic forces between electric charges in our world involve the retarded position only, and never the advanced position. Therefore the advanced solution is normally discarded since it is assumed that it does not physically exist in our world. And the Wheeler-Feynman absorber theory, when applied to electromagnetic forces, has to be adjusted to make the advanced solution cancel out. This time asymmetry for electromagnetic phenomena begs for an explanation--but that is still a work in progress. In any case, gravitational forces between gravitational charges (masses) appear to involve both advanced and retarded solutions in the real world. Which is interesting.

In conclusion, gravitational influences, including gravitational waves, propagate at a finite speed (probably at the speed of light), but gravitational influences, unlike electromagnetic influences, are accounted for by both retarded and advanced waves, giving the uncanny appearance of action at a distance and instantaneous propagation for gravitational disturbances.


New Distance Measurements Bolster Challenge to Basic Model of Universe

A new set of precision distance measurements made with an international collection of radio telescopes have greatly increased the likelihood that theorists need to revise the “standard model” that describes the fundamental nature of the Universe.

The new distance measurements allowed astronomers to refine their calculation of the Hubble Constant, the expansion rate of the Universe, a value important for testing the theoretical model describing the composition and evolution of the Universe. The problem is that the new measurements exacerbate a discrepancy between previously measured values of the Hubble Constant and the value predicted by the model when applied to measurements of the cosmic microwave background made by the Planck satellite.

“We find that galaxies are nearer than predicted by the standard model of cosmology, corroborating a problem identified in other types of distance measurements. There has been debate over whether this problem lies in the model itself or in the measurements used to test it. Our work uses a distance measurement technique completely independent of all others, and we reinforce the disparity between measured and predicted values. It is likely that the basic cosmological model involved in the predictions is the problem,” said James Braatz, of the National Radio Astronomy Observatory (NRAO).

Braatz leads the Megamaser Cosmology Project, an international effort to measure the Hubble Constant by finding galaxies with specific properties that lend themselves to yielding precise geometric distances. The project has used the National Science Foundation’s Very Long Baseline Array (VLBA), Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), and Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT), along with the Effelsberg telescope in Germany. The team reported their latest results in the رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.

Edwin Hubble, after whom the orbiting Hubble Space Telescope is named, first calculated the expansion rate of the universe (the Hubble Constant) in 1929 by measuring the distances to galaxies and their recession speeds. The more distant a galaxy is, the greater its recession speed from Earth. Today, the Hubble Constant remains a fundamental property of observational cosmology and a focus of many modern studies.

Measuring recession speeds of galaxies is relatively straightforward. Determining cosmic distances, however, has been a difficult task for astronomers. For objects in our own Milky Way Galaxy, astronomers can get distances by measuring the apparent shift in the object’s position when viewed from opposite sides of Earth’s orbit around the Sun, an effect called parallax. The first such measurement of a star’s parallax distance came in 1838.

Beyond our own Galaxy, parallaxes are too small to measure, so astronomers have relied on objects called “standard candles,” so named because their intrinsic brightness is presumed to be known. The distance to an object of known brightness can be calculated based on how dim the object appears from Earth. These standard candles include a class of stars called Cepheid variables and a specific type of stellar explosion called a Type Ia supernova.

Another method of estimating the expansion rate involves observing distant quasars whose light is bent by the gravitational effect of a foreground galaxy into multiple images. When the quasar varies in brightness, the change appears in the different images at different times. Measuring this time difference, along with calculations of the geometry of the light-bending, yields an estimate of the expansion rate.

Determinations of the Hubble Constant based on the standard candles and the gravitationally-lensed quasars have produced figures of 73-74 kilometers per second (the speed) per megaparsec (distance in units favored by astronomers).

However, predictions of the Hubble Constant from the standard cosmological model when applied to measurements of the cosmic microwave background (CMB) — the leftover radiation from the Big Bang — produce a value of 67.4, a significant and troubling difference. This difference, which astronomers say is beyond the experimental errors in the observations, has serious implications for the standard model.

The model is called Lambda Cold Dark Matter, or Lambda CDM, where “Lambda” refers to Einstein’s cosmological constant and is a representation of dark energy. The model divides the composition of the Universe mainly between ordinary matter, dark matter, and dark energy, and describes how the Universe has evolved since the Big Bang.

The Megamaser Cosmology Project focuses on galaxies with disks of water-bearing molecular gas orbiting supermassive black holes at the galaxies’ centers. If the orbiting disk is seen nearly edge-on from Earth, bright spots of radio emission, called masers — radio analogs to visible-light lasers — can be used to determine both the physical size of the disk and its angular extent, and therefore, through geometry, its distance. The project’s team uses the worldwide collection of radio telescopes to make the precision measurements required for this technique.

In their latest work, the team refined their distance measurements to four galaxies, at distances ranging from 168 million light-years to 431 million light-years. Combined with previous distance measurements of two other galaxies, their calculations produced a value for the Hubble Constant of 73.9 kilometers per second per megaparsec.

“Testing the standard model of cosmology is a really challenging problem that requires the best-ever measurements of the Hubble Constant. The discrepancy between the predicted and measured values of the Hubble Constant points to one of the most fundamental problems in all of physics, so we would like to have multiple, independent measurements that corroborate the problem and test the model. Our method is geometric, and completely independent of all others, and it reinforces the discrepancy,” said Dom Pesce, a researcher at the Center for Astrophysics | Harvard and Smithsonian, and lead author on the latest paper.

“The maser method of measuring the expansion rate of the universe is elegant, and, unlike the others, based on geometry. By measuring extremely precise positions and dynamics of maser spots in the accretion disk surrounding a distant black hole, we can determine the distance to the host galaxies and then the expansion rate. Our result from this unique technique strengthens the case for a key problem in observational cosmology.” said Mark Reid of the Center for Astrophysics | Harvard and Smithsonian, and a member of the Megamaser Cosmology Project team.

“Our measurement of the Hubble Constant is very close to other recent measurements, and statistically very different from the predictions based on the CMB and the standard cosmological model. All indications are that the standard model needs revision,” said Braatz.

Astronomers have various ways to adjust the model to resolve the discrepancy. Some of these include changing presumptions about the nature of dark energy, moving away from Einstein’s cosmological constant. Others look at fundamental changes in particle physics, such as changing the numbers or types of neutrinos or the possibilities of interactions among them. There are other possibilities, even more exotic, and at the moment scientists have no clear evidence for discriminating among them.

“This is a classic case of the interplay between observation and theory. The Lambda CDM model has worked quite well for years, but now observations clearly are pointing to a problem that needs to be solved, and it appears the problem lies with the model,” Pesce said.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities,
Inc.


شاهد الفيديو: الدرس: 7 سرعة الافلات من الجاذبية الارضية (شهر اكتوبر 2021).