Gravitacija sledi Newtonovim in Einsteinovim pravilom, tudi v kozmičnih merilih

S sledenjem jat galaksij, ki so oddaljene več sto milijonov svetlobnih let, fizik iz Pennsylvanije Patricio Gallardo in sodelavci ugotavljajo, da zakoni gravitacije, ki sta jih zapisala Newton in Einstein, še vedno veljajo, kar pušča malo dvoma o obstoju nevidne temne snovi.

Ključni odvzemi

• V največji doslejšnji sondi gravitacije je fizik Patricio Gallardo iz Pennsylvanije s sodelavci sledil gibanju oddaljenih galaksij, da bi preveril, ali zakoni gravitacije še vedno delujejo v največjih strukturah v vesolju.
• Rezultati kažejo, da se gravitacija obnaša enako na ogromnih kozmičnih skalah kot bližje domu, po pravilih, ki jih je prvi opisal Isaac Newton in kasneje izpopolnil Albert Einstein.
• Ugotovitve izpodbijajo alternativne teorije, ki kažejo na spremembe gravitacije na velikih razdaljah.
• Študija krepi tezo, da vesolje vsebuje velike količine nevidne temne snovi.

Gravitacija, kot jo razume večina ljudi, je znana sila, ki vleče padajoče jabolko proti Zemlji. Za astronome in teoretične fizike pa je tudi nadležen nevidni arhitekt, ki usmerja obliko in razvoj največjih kozmičnih struktur v vesolju.

Že desetletja so zagonetna opazovanja nenavadno hitro premikajočih se galaksij silila kozmologe, kot je Univerza v PensilvanijiJe Patricio A. Gallardo, da ponovno preuči osnove fizike in na primer razišče, ali zakoni gravitacije, kot sta jih opisala Isaac Newton in Albert Einstein, resnično veljajo povsod.

»Astrofiziko pesti ogromno neskladje v kozmični knjigi,« pravi Gallardo. »Ko pogledamo, kako zvezde krožijo znotraj galaksij ali kako se galaksije premikajo znotraj galaksijnih jat, se zdi, da nekatere potujejo veliko prehitro glede na količino vidne snovi, ki jo vsebujejo.« 

Zaradi tega neskladja se moramo odločiti med dvema radikalnima sklepoma, pojasnjuje. Ali vesolje vsebuje koncentracije ogromne nevidne "temne snovi", ki zagotavlja dodatno gravitacijsko silo, ali pa je "treba spremeniti temeljne enačbe za gravitacijo".

Zdaj, z uporabo opazovanj iz Atacama Cosmology Telescope (ACT), približno tri do štiri nadstropni teleskop, ki ga je razvilo večinstitucionalno sodelovanje, vključno z raziskovalci Penna pod vodstvom Mark DevlinGallardo in sodelavci so preizkusili gravitacijo v galaksijskih jatah, ki jih ločujejo stotine milijonov svetlobnih let – kar je največja sonda gravitacije doslej.

Njihove ugotovitve, objavljene v Pisni pregledi fizike, kažejo, da gravitacijska moč slabi z oddaljenostjo skoraj natanko tako, kot je napovedano z enačbami, ki jih je razvil Newton in kasneje vključil v Einsteinovo splošno teorijo relativnosti.

»Izjemno je, da zakon inverzne vrednosti kvadratov – ki ga je v 17. stoletju predlagal Newton in ga je nato vključila Einsteinova teorija splošne relativnosti – še vedno velja tudi v 21. stoletju,« pravi Gallardo.

Potrditev, da se gravitacija obnaša tako, kot napoveduje uveljavljena teorija na ogromnih, zunajgalaktičnih razdaljah, krepi temeljni steber sodobne znanosti, pojasnjuje Gallardo: standardni model kozmologije. Z dokazovanjem, da temeljne teorije gravitacije ne veljajo na največjih skalah, podatki dejansko zapirajo vrata skupini teorij, kot je modificirana Newtonova dinamika (MOND), ki poskušajo razložiti kozmična gibanja s spreminjanjem zakonov gravitacije.

Ko je Newton predlagal inverzno kvadratno relacijo, ki pravi, da gravitacija slabi sorazmerno s kvadratom razdalje med objekti, se je ukvarjal predvsem z opisom gibanja objektov v Osončju. Isto načelo je bilo zdaj preizkušeno na masah in razdaljah, ki so bile »v Newtonovem času nepredstavljive«, pravi Gallardo.

Razumevanje "omejitev hitrosti" vesolja

Galaksije v vesolju – teh je več kot 200 milijard – se ne gibljejo tako, kot bi se morale, če bi le gravitacija sama po sebi določala.

Po Newtonovi logiki bi morale zvezde, ki so dlje od središča galaksije, krožiti počasneje. Namesto tega astronomi vidijo ravno nasprotno. Najbolj oddaljena območja se gibljejo veliko hitreje, kot lahko to pojasni vidna snov. Enako neskladje se pojavlja v jatah galaksij, kjer se celotne galaksije gibljejo prehitro glede na svojo maso.

»To je osrednja uganka,« pojasnjuje Gallardo. »Ali se gravitacija na zelo velikih skalah obnaša drugače ali pa vesolje vsebuje dodatno snov, ki je ne moremo neposredno videti.«

Testiranje gravitacije po vesolju

Da bi to preizkusili, so se raziskovalci obrnili na opazovanja ACT o svetlobi, ki se je sprostila približno 380,000 let po velikem poku in od takrat potuje po vesolju, znana kot kozmično mikrovalovno ozadje.

Ko ta starodavna svetloba prehaja skozi ogromne galaksijske kopice, jo njihovo gibanje subtilno spreminja in pušča šibke odtise, ki jih astronomi lahko zaznajo. Z odčitavanjem teh popačenj in merjenjem teh gibanj v stotinah tisočih kopicah, ki so ločene z več deset milijoni svetlobnih let, so raziskovalci ugotovili, kako močno gravitacija vleče največje strukture v vesolju. Če bi bile modificirane teorije gravitacije, kot je MOND, pravilne, bi meritve razkrile bolj raven gravitacijski padec.

Namesto tega so rezultati pristali skoraj natanko tam, kjer se ujemata Newtonova in Einsteinova teorija.

Ker ta napoved drži, problema manjkajoče mase ni mogoče razložiti s spreminjanjem same gravitacije, kar krepi argument, da mora dodatno privlačnost zagotavljati nevidna komponenta – temna snov.

Skrivnost temne snovi

Razumevanje, kaj temna snov pravzaprav je, ostaja eden največjih izzivov sodobne fizike.

»Ta študija krepi dokaze, da vesolje vsebuje komponento temne snovi,« pravi Gallardo. »Vendar še vedno ne vemo, iz česa je ta komponenta sestavljena.«

Prihodnja opazovanja reliefnega sevanja in večjih raziskav galaksij bodo fizikom in astronomom omogočila še natančnejše testiranje gravitacije.

»Z toliko neodgovorjenimi vprašanji ostaja gravitacija eno najbolj fascinantnih področij raziskav. Je naravno privlačno področje,« se zasmeji Gallardo.

Patricio Gallardo je raziskovalni sodelavec na Oddelku za astronomijo in fiziko na Fakulteti za umetnost in znanost Univerze v Pensilvaniji.

V študiji je sodelovalo več kot 40 raziskovalcev, ki so predstavljali institucionalne pridružbe iz več držav. Posamezne raziskovalce, ki so prispevali k tej študiji, so podprle različne štipendije in nacionalne agencije za financiranje, vključno z Inštitutom Kavli za kozmološko fiziko na Univerzi v Chicagu, Društvom štipendistov Simons, ameriško Nacionalno znanstveno fundacijo (AST-2206088), nepovratnimi sredstvi NASA ROSES 12-EUCLID12-0004, čilskim projektom Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) Basal FB210003, Nacionalno raziskovalno fundacijo Južne Afrike in Kanadskim svetom za naravoslovne in inženirske raziskave (NSERC) prek nepovratnih sredstev RGPIN-2023-05014 in DGECR-2023-00180. Dodatno podporo je zagotovila katedra družine Sutton za znanost, krščanstvo in kulture na Fakulteti za umetnost in znanost Univerze v Torontu. 

Projekt Atacama Cosmology Telescope (ACT) v prvi vrsti podpira ameriška Nacionalna znanstvena fundacija z nagradami AST-0408698, AST-0965625 in AST-1440226 za projekt ACT ter PHY-0355328, PHY-0855887 in PHY-1214379. Dodatna sredstva so zagotovile Univerza Princeton, Univerza v Pensilvaniji in nagrada Kanadske fundacije za inovacije (CFI) Univerzi v Britanski Kolumbiji. Razvoj multikroičnih detektorjev in leč ACT so podprli z donacijama NASA NNX13AE56G in NNX14AB58G, raziskave detektorjev na Nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo (NIST) pa so bile podprte s programom NIST Innovations in Measurement Science.

Delite ta članek: