Gravitacija slijedi Newtonova i Einsteinova pravila, čak i na kozmičkim skalama

Praćenjem galaktičkih jata udaljenih stotinama milijuna svjetlosnih godina, fizičar Patricio Gallardo iz Pennsylvanije i njegovi suradnici otkrili su da zakoni gravitacije koje su napisali Newton i Einstein još uvijek vrijede, što ostavlja malo sumnje u postojanje nevidljive tamne tvari.

Ključni postupci

• U dosad najvećoj sondi gravitacije, fizičar s Pennsylvanije Patricio Gallardo i suradnici pratili su kretanje udaljenih galaksijskih skupova kako bi testirali vrijede li zakoni gravitacije još uvijek u najvećim strukturama u svemiru.
• Rezultati pokazuju da se gravitacija ponaša na isti način na golemim kozmičkim skalama kao i bliže našem domu, slijedeći pravila koja je prvi opisao Isaac Newton, a kasnije usavršio Albert Einstein.
• Nalazi osporavaju alternativne teorije koje sugeriraju promjene gravitacije na velikim udaljenostima.
• Studija pojačava tezu da svemir sadrži velike količine nevidljive tamne materije.

Gravitacija, kako je većina ljudi shvaća, poznata je sila koja vuče jabuku koja pada prema Zemlji. Ali za astronome i teorijske fizičare, ona je također i mučni nevidljivi arhitekt koji vodi oblik i evoluciju najvećih kozmičkih struktura diljem svemira.

Desetljećima su zagonetna opažanja neobično brzih galaksija prisiljavala kozmologe poput University of Pennsylvania'S Patricio A. Gallardo kako bi ponovno proučio osnove fizike, istražujući, na primjer, primjenjuju li se zakoni gravitacije kako su ih opisali Isaac Newton i Albert Einstein doista svugdje.

„Astrofiziku muči ogromno odstupanje u kozmičkoj knjizi“, kaže Gallardo. „Kada pogledamo kako zvijezde kruže unutar galaksija ili kako se galaksije kreću unutar galaktičkih jata, čini se da neke putuju prebrzo za količinu vidljive materije koju sadrže.“ 

Ova neusklađenost prisiljava na izbor između dva radikalna zaključka, objašnjava on. Ili svemir sadrži koncentracije masivne nevidljive „tamne materije“ koja pruža dodatnu gravitacijsku silu ili „temeljne jednadžbe gravitacije treba modificirati“.

Sada, koristeći opažanja s Atacama Cosmology Telescope (ACT), teleskop visok otprilike tri do četiri kata, razvijen u suradnji više institucija, uključujući istraživače s Penna predvođene Mark DevlinGallardo i suradnici testirali su gravitaciju kroz galaktička jata razdvojena stotinama milijuna svjetlosnih godina - što je do sada najveća sonda gravitacije.

Njihova otkrića, objavljena u Pisma o fizičkom pregledu, pokazuju da snaga gravitacije slabi s udaljenošću gotovo točno onako kako je predviđeno jednadžbama koje je razvio Newton, a kasnije uključenima u Einsteinovu opću teoriju relativnosti.

„Značajno je da zakon inverza kvadrata – koji je predložio Newton u 17. stoljeću, a zatim ga je uključila Einsteinova opća teorija relativnosti – još uvijek drži svoju vrijednost u 21. stoljeću“, kaže Gallardo.

Potvrda da se gravitacija ponaša kako predviđa utvrđena teorija na golemim, ekstragalaktičkim udaljenostima jača temeljni stup moderne znanosti, objašnjava Gallardo: standardni model kozmologije. Pokazujući da se temeljne teorije gravitacije ne raspadaju na najvećim skalama, podaci učinkovito zatvaraju vrata skupini teorija poput modificirane Newtonove dinamike (MOND), koje pokušavaju objasniti kozmička gibanja modificiranjem zakona gravitacije.

Kada je Newton predložio inverzni kvadratni odnos, koji kaže da gravitacija slabi proporcionalno kvadratu udaljenosti između objekata, prvenstveno se bavio opisom kretanja objekata u Sunčevom sustavu. Isti princip sada je testiran na masama i udaljenostima koje su bile „nezamislive u Newtonovo vrijeme“, kaže Gallardo.

Razumijevanje 'ograničenja brzine' svemira

Galaksije u svemiru - kojih ima više od 200 milijardi - ne kreću se onako kako sama gravitacija kaže da bi trebale.

Slijedeći Newtonovu logiku, zvijezde dalje od središta galaksije trebale bi kružiti sporije. Umjesto toga, astronomi vide suprotno. Najudaljenija područja kreću se puno brže nego što vidljiva materija može objasniti. Ista neusklađenost pojavljuje se u skupovima galaksija, gdje se cijele galaksije kreću prebrzo za svoju masu.

„To je središnja zagonetka“, objašnjava Gallardo. „Ili se gravitacija ponaša drugačije na vrlo velikim skalama ili svemir sadrži dodatnu materiju koju ne možemo izravno vidjeti.“

Testiranje gravitacije diljem svemira

Kako bi to testirali, istraživači su se okrenuli ACT-ovim opažanjima svjetlosti oslobođene oko 380 000 godina nakon Velikog praska, koja od tada putuje svemirom, poznata kao kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje.

Dok ova drevna svjetlost prolazi kroz masivne skupove galaksija, njihovo kretanje je suptilno mijenja, ostavljajući slabe otiske koje astronomi mogu otkriti. Očitavanjem tih izobličenja i mjerenjem tih kretanja kroz stotine tisuća skupova razdvojenih desecima milijuna svjetlosnih godina, istraživači su utvrdili koliko snažno gravitacija privlači najveće strukture u svemiru. Ako bi modificirane teorije gravitacije poput MOND-a bile točne, mjerenja bi otkrila ravniji gravitacijski pad.

Umjesto toga, rezultati su se pokazali gotovo točno tamo gdje se slažu i Newtonova i Einsteinova teorija.

Budući da to predviđanje vrijedi, problem nedostajuće mase ne može se objasniti promjenom same gravitacije, što jača slučaj da nevidljiva komponenta - tamna materija - mora pružati dodatnu privlačnu silu.

Misterij tamne materije

Razumijevanje što je zapravo tamna materija ostaje jedan od najvećih izazova u modernoj fizici.

„Ova studija pojačava dokaze da svemir sadrži komponentu tamne materije“, kaže Gallardo. „Ali još uvijek ne znamo od čega je ta komponenta napravljena.“

Buduća promatranja CMB-a i istraživanja većih galaksija omogućit će fizičarima i astronomima još preciznije testiranje gravitacije.

„S toliko neodgovorenih pitanja, gravitacija ostaje jedno od najfascinantnijih područja istraživanja. To je prirodno privlačno područje“, hihoće se Gallardo.

Patricio Gallardo je znanstveni suradnik na Odjelu za astronomiju i fiziku Škole umjetnosti i znanosti Sveučilišta u Pennsylvaniji.

U studiji je sudjelovalo više od 40 istraživača koji predstavljaju institucionalne pripadnosti iz više zemalja. Pojedinačne istraživače koji su doprinijeli ovoj studiji podržale su razne stipendije i nacionalne agencije za financiranje, uključujući Kavlijev institut za kozmološku fiziku Sveučilišta u Chicagu, Simons Society of Fellows, američku Nacionalnu zakladu za znanost (AST-2206088), NASA-inu ROSES potporu 12-EUCLID12-0004, čileanski projekt Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) Basal FB210003, Nacionalnu istraživačku zakladu Južne Afrike i Kanadsko vijeće za istraživanje prirodnih znanosti i inženjerstva (NSERC) putem potpora RGPIN-2023-05014 i DGECR-2023-00180. Dodatnu podršku pružila je katedra obitelji Sutton za znanost, kršćanstvo i kulture na Fakultetu umjetnosti i znanosti Sveučilišta u Torontu. 

Projekt Atacama Cosmology Telescope (ACT) prvenstveno podržava američka Nacionalna zaklada za znanost putem nagrada AST-0408698, AST-0965625 i AST-1440226 za projekt ACT, kao i PHY-0355328, PHY-0855887 i PHY-1214379. Dodatna sredstva osigurala su Sveučilište Princeton, Sveučilište Pennsylvania i nagrada Kanadske zaklade za inovacije (CFI) Sveučilištu British Columbia. Razvoj ACT multikroičnih detektora i leća podržan je NASA-inim grantovima NNX13AE56G i NNX14AB58G, a istraživanje detektora u Nacionalnom institutu za standarde i tehnologiju (NIST) podržano je putem NIST-ovog programa Inovacije u znanosti o mjerenju.

Podijelite ovaj članak: