Gravitace se řídí Newtonovými a Einsteinovými pravidly, a to i v kosmickém měřítku

Sledováním kup galaxií vzdálených stovky milionů světelných let fyzik z Pensylvánské univerzity Patricio Gallardo a jeho spolupracovníci zjistili, že zákony gravitace, které napsali Newton a Einstein, stále platí, takže je málo pochyb o existenci neviditelné temné hmoty.

Klíčové jídlo s sebou

• V dosud největší gravitační sondě fyzik z Pensylvánské univerzity Patricio Gallardo a jeho spolupracovníci sledovali pohyb vzdálených galaxií, aby otestovali, zda zákony gravitace stále fungují napříč největšími strukturami ve vesmíru.
• Výsledky ukazují, že gravitace se chová stejně v obrovských kosmických měřítkách jako blíže k nám, a to podle pravidel, která poprvé popsal Isaac Newton a později upřesnil Albert Einstein.
• Zjištění zpochybňují alternativní teorie, které naznačují změny gravitace na velkých vzdálenostech.
• Studie posiluje teorii, že vesmír obsahuje velké množství neviditelné temné hmoty.

Gravitace, jak ji většina lidí chápe, je známá síla, která přitahuje padající jablko k Zemi. Pro astronomy a teoretické fyziky je však také nepříjemným neviditelným architektem, který řídí tvar a vývoj největších kosmických struktur ve vesmíru.

Po celá desetiletí nutila záhadná pozorování neobvykle rychle se pohybujících galaxií kosmology, jako je University of PennsylvaniaJe Patricio A. Gallardo, aby se znovu zabýval základy fyziky a zkoumal například, zda zákony gravitace, jak je popsali Isaac Newton a Albert Einstein, skutečně platí všude.

„Astrofyziku sužuje obrovský nesoulad v kosmické knize,“ říká Gallardo. „Když se podíváme na to, jak hvězdy obíhají v galaxiích nebo jak se galaxie pohybují v kupách galaxií, některé se zdají být příliš rychlé na množství viditelné hmoty, kterou obsahují.“ 

Tento nesoulad nutí k volbě mezi dvěma radikálními závěry, vysvětluje. Buď vesmír obsahuje koncentrace masivní neviditelné „temné hmoty“, která poskytuje dodatečnou gravitační sílu, nebo „je třeba upravit základní rovnice pro gravitaci“.

Nyní, s využitím pozorování z Atacama Cosmology Telescope (ACT), zhruba tří až čtyřpatrový teleskop vyvinutý ve spolupráci s více institucemi, včetně výzkumníků z Pensylvánské univerzity v čele s Mark DevlinGallardo a jeho spolupracovníci testovali gravitaci napříč kupami galaxií vzdálenými stovkami milionů světelných let – jde o dosud největší gravitační sondu.

Jejich nálezy, zveřejněné v Fyzické revizní dopisy, ukazují, že síla gravitace slábne se vzdáleností téměř přesně tak, jak předpovídaly rovnice vyvinuté Newtonem a později začleněné do Einsteinovy ​​obecné teorie relativity.

„Je pozoruhodné, že zákon inverze čtverců – navržený Newtonem v 17. století a poté začleněný do Einsteinovy ​​obecné teorie relativity – si stále drží svou pozici i v 21. století,“ říká Gallardo.

Potvrzení, že gravitace se chová tak, jak předpovídá zavedená teorie na obrovských extragalaktických vzdálenostech, posiluje základní pilíř moderní vědy, vysvětluje Gallardo: standardní model kosmologie. Tím, že data ukazují, že základní teorie gravitace neplatí v největších měřítkách, fakticky zavírají dveře skupině teorií, jako je Modifikovaná Newtonova dynamika (MOND), které se pokoušejí vysvětlit kosmické pohyby modifikací zákonů gravitace.

Když Newton navrhl inverzní kvadratický vztah, který říká, že gravitace slábne úměrně k druhé mocnině vzdálenosti mezi objekty, zabýval se především popisem pohybů objektů ve sluneční soustavě. Stejný princip byl nyní testován na hmotnostech a vzdálenostech, které byly „v Newtonově době nepředstavitelné,“ říká Gallardo.

Pochopení „rychlostních limitů“ vesmíru

Galaxie ve vesmíru – kterých je více než 200 miliard – se nepohybují tak, jak by měly podle samotné gravitace.

Podle Newtonovy logiky by hvězdy dále od středu galaxie měly obíhat pomaleji. Astronomové naopak pozorují opak. Nejvzdálenější oblasti se pohybují mnohem rychleji, než je možné vysvětlit viditelnou hmotou. Stejný nesoulad se objevuje i v kupách galaxií, kde se celé galaxie pohybují příliš rychle vzhledem ke své hmotnosti.

„To je ústřední hádanka,“ vysvětluje Gallardo. „Buď se gravitace chová jinak ve velmi velkých měřítcích, nebo vesmír obsahuje další hmotu, kterou nemůžeme přímo vidět.“

Testování gravitace napříč vesmírem

Aby to ověřili, vědci se obrátili na pozorování ACT, která ukazují světlo uvolněné asi 380 000 let po Velkém třesku, jež od té doby putuje vesmírem a je známé jako kosmické mikrovlnné pozadí.

Jak toto starověké světlo prochází masivními kupami galaxií, je jejich pohybem jemně měněno a zanechává slabé stopy, které astronomové mohou detekovat. Čtením těchto zkreslení a měřením těchto pohybů napříč stovkami tisíc kup oddělených desítkami milionů světelných let vědci určili, jak silně gravitace přitahuje největší struktury ve vesmíru. Pokud by byly upravené gravitační teorie, jako je MOND, správné, měření by odhalila plošší gravitační pokles.

Výsledky se místo toho téměř přesně shodovaly s Newtonovou i Einsteinovou teorií.

Protože tato předpověď platí, problém chybějící hmotnosti nelze vysvětlit změnou samotné gravitace, což posiluje argument, že dodatečnou přitažlivost musí poskytovat neviditelná složka – temná hmota.

Záhada temné hmoty

Pochopení toho, co temná hmota vlastně je, zůstává jednou z největších výzev moderní fyziky.

„Tato studie posiluje důkazy o tom, že vesmír obsahuje složku temné hmoty,“ říká Gallardo. „Stále ale nevíme, z čeho se tato složka skládá.“

Budoucí pozorování reliktového záření a průzkumy větších galaxií umožní fyzikům a astronomům testovat gravitaci ještě přesněji.

„S tolika nezodpovězenými otázkami zůstává gravitace jednou z nejfascinujících oblastí výzkumu. Je to přirozeně atraktivní obor,“ směje se Gallardo.

Patricio Gallardo je výzkumný pracovník na katedře astronomie a fyziky na School of Arts & Sciences na University of Pennsylvania.

Studie se zúčastnilo více než 40 výzkumníků zastupujících institucionální přidružení z různých zemí. Jednotliví výzkumníci, kteří se na této studii podíleli, byli podpořeni řadou stipendií a národních finančních agentur, včetně Kavliho institutu pro kosmologickou fyziku na Chicagské univerzitě, Simonsovy společnosti stipendistů, americké Národní vědecké nadace (AST-2206088), grantu NASA ROSES 12-EUCLID12-0004, projektu Basal chilské Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) FB210003, Národní výzkumné nadace Jižní Afriky a Kanadské rady pro výzkum v přírodních vědách a inženýrství (NSERC) prostřednictvím grantů RGPIN-2023-05014 a DGECR-2023-00180. Další podporu poskytla katedra Sutton Family Chair in Science, Christianity and Cultures na Filozofické a přírodní fakultě Torontské univerzity. 

Projekt Atacama Cosmology Telescope (ACT) je primárně podporován americkou Národní vědeckou nadací prostřednictvím grantů AST-0408698, AST-0965625 a AST-1440226 pro projekt ACT, stejně jako grantů PHY-0355328, PHY-0855887 a PHY-1214379. Další financování poskytly Princetonská univerzita, Pensylvánská univerzita a grant Kanadské nadace pro inovace (CFI) pro Univerzitu Britské Kolumbie. Vývoj multichroických detektorů a čoček ACT byl podpořen granty NASA NNX13AE56G a NNX14AB58G a výzkum detektorů v Národním institutu pro standardy a technologie (NIST) byl podpořen prostřednictvím programu NIST Innovations in Measurement Science.

Sdílet tento článek: