Новое исследование подвергло закон всемирного тяготения Исаака Ньютона самой строгой проверке на сегодняшний день, исследуя силы, действующие на расстояниях в сотни миллионов световых лет. Результаты однозначны: гравитация ведёт себя точно так, как предсказывал Ньютон в XVII веке и как уточнил Эйнштейн в XX.
Это открытие важно не только с точки зрения исторического интереса, но и потому, что оно касается одной из самых глубоких загадок современной космологии. Подтверждая, что гравитация подчиняется закону обратных квадратов даже в космических масштабах, исследование укрепляет аргументы в пользу существования тёмной материи — невидимой, не обнаруженной непосредственно массы. В то же время оно отбрасывает альтернативные теории, предполагающие, что требуется пересмотр самого нашего понимания гравитации.
Космическое расхождение
Когда астрономы составляют карту видимой Вселенной, они сталкиваются с запутывающим несоответствием. Количества «обычной» материи — звёзд, планет, газа, пыли и всего, что состоит из известных барионных атомов, — недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемые нами движения.
- Галактики вращаются слишком быстро, чтобы удерживаться вместе только своей видимой массой.
- Скопления галактик остаются связанными, несмотря на то, что их кинетической энергии хватило бы, чтобы разлететься в разные стороны.
- Свет отклоняется более резко вокруг массивных объектов, чем можно объяснить наличием только видимой материи.
Эти аномалии указывают на то, что примерно 85% материи во Вселенной невидимо. Эта невидимая составляющая и есть то, что учёные называют тёмной материей. Однако существует и другая возможность: быть может, тёмной материи не существует, а гравитация на больших масштабах ведёт себя иначе, чем в пределах нашей Солнечной системы. Эта концепция, известная как модифицированная ньютоновская динамика (MOND) или другие теории модифицированной гравитации, предполагает, что гравитация ослабевает медленнее на огромных расстояниях.
Проверка гравитации на краю наблюдаемой Вселенной
Чтобы отличить эти два объяснения друг от друга, космолог Патрисио Гальярдо из Университета Пенсильвании и его команда провели крупномасштабное наблюдательное исследование. Они сфокусировались на объёме пространства, расположенном на расстоянии от 5 до 7 миллиардов световых лет, проанализировав движения примерно 686 000 галактик, сгруппированных в скопления.
Исследователи использовали сложную технику, называемую кинематическим эффектом Сюняева — Зельдовича (kSZ), для измерения скоростей этих скоплений галактик. Принцип действия заключается в следующем:
- Реликтовое излучение (CMB): Это послесвечение Большого взрыва — слабое радиационное поле, пронизывающее всю Вселенную.
- Взаимодействие с газом: Когда фотоны реликтового излучения движутся к Земле, они проходят через горячие облака газа, окружающие скопления галактик.
- Измерение скорости: Если скопление движется к нам или от нас, фотоны реликтового излучения рассеиваются на свободных электронах в газе, вызывая незначительный сдвиг в температуре сигнала. Измеряя этот сдвиг, учёные могут определить скорость скопления относительно системы покоя реликтового излучения.
Сравнивая скорости пар скоплений, движущихся навстречу друг другу, команда могла рассчитать гравитационные силы, действующие между ними. Если бы гравитация ослабевала медленнее, чем предсказывает закон Ньютона (как предполагают теории модифицированной гравитации), скопления притягивались бы друг к другу сильнее на больших расстояниях.
Вердикт: Ньютон был прав
Данные показали, что гравитационное притяжение между далёкими скоплениями быстро затухает с увеличением расстояния, что соответствует закону обратных квадратов. Это означает, что фундаментальное поведение гравитации не меняется в космических масштабах.
«Поражает, что закон обратных квадратов — предложенный Ньютоном в XVII веке, а затем включённый в теорию общей относительности Эйнштейна — продолжает удерживать свои позиции в XXI веке», — говорит Гальярдо.
Этот результат эффективно исключает многие модели модифицированной гравитации, которые пытаются объяснить космические явления без привлечения тёмной материи. Вместо этого он указывает на существование значительного количества невидимой массы, обеспечивающей дополнительную гравитационную «клеящую» силу, необходимую для удержания Вселенной вместе.
Что остаётся неизвестным
Хотя это исследование предоставляет сильные доказательства против модифицированной гравитации и в пользу тёмной материи, оно не решает загадку о том, что именно представляет собой тёмная материя. Результаты подтверждают, что тёмная материя существует как гравитационная составляющая, но её физическая природа остаётся неуловимой. Она не излучает, не поглощает и не отражает свет, взаимодействуя с остальной Вселенной практически исключительно через гравитацию.
Как отмечает Гальярдо: «Это исследование укрепляет доказательства того, что Вселенная содержит компонент тёмной материи, но мы всё ещё не знаем, из чего он состоит».
Вывод:
Подтверждая, что законы гравитации Ньютона остаются верными даже на расстоянии миллиардов световых лет, это исследование устраняет модифицированную гравитацию в качестве основного объяснения космических аномалий. Это оставляет тёмную материю в качестве главного кандидата на роль невидимой массы, формирующей нашу Вселенную, и стимулирует дальнейшие усилия по поиску её фундаментальных частиц.
