Астрономы проверили, как работает гравитация в масштабах Вселенной

Гравитация в повседневном мышлении — это сила, удерживающая объекты на Земле. Однако в космологии она выступает ключевым механизмом, формирующим структуру всей Вселенной – от галактик до гигантских скоплений.

На протяжении десятилетий астрономы сталкивались с проблемой: наблюдаемые скорости галактик и звезд не соответствуют расчетам, основанным только на видимой материи. Как указывает астрофизик Патрисио А. Гальярдо, это создает фундаментальное несоответствие в данных.

«Когда мы изучаем, как звезды вращаются внутри галактик или как галактики движутся внутри скоплений, кажется, что некоторые из них движутся слишком быстро для видимого количества материи», — объясняет он.

Две возможные интерпретации проблемы

Ученые рассматривают два основных объяснения:

наличие невидимой массы – темной материи, создающей дополнительное гравитационное притяжение

необходимость изменения законов гравитации в больших масштабах

Эта дилемма лежит в основе современных дискуссий в космологии.

Новое испытание гравитации на огромных расстояниях

Команда использовала данные Атакамского космологического телескопа (ACT), который регистрирует космическое микроволновое фоновое излучение — реликтовый свет, появившийся примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва.

Этот сигнал проходит через скопления галактик и слегка искажается их массой. По этим искажениям можно оценить распределение материи и силу гравитации на масштабах в сотни миллионов световых лет.

Исследование, проведенное группой из Пенсильванского университета под руководством Марка Девлина, стало одним из крупнейших испытаний гравитации в космических конструкциях.

Что показали результаты

Анализ, опубликованный в журнале Physical Review Letters, показал, что гравитация ослабевает с расстоянием, как предсказывают законы Ньютона и общая теория относительности Эйнштейна.

«Примечательно, что закон обратных квадратов, предложенный Ньютоном в 17 веке, по-прежнему актуален и в 21 веке», — говорит Гальярдо.

Это означает, что в чрезвычайно больших масштабах нет отклонений, которые потребовали бы пересмотра основных уравнений гравитации.

Последствия для теории темной материи

Результаты усиливают стандартную космологическую модель, ограничивая при этом альтернативные подходы, такие как MOND, которые предполагают изменение законов гравитации вместо введения темной материи.

Если бы модифицированные теории были верны, наблюдаемые эффекты должны были бы выглядеть иначе - с более слабым затуханием гравитационного воздействия на расстоянии. Однако данные не подтверждают это.

Галактики, которые «движутся слишком быстро»

Проблема остается той же: звезды на периферии галактик и сами галактики в скоплениях движутся быстрее, чем позволяет видимая масса.

Это приводит к выводу, что во Вселенной должен существовать дополнительный компонент материи, который мы еще не наблюдали напрямую.

«Либо гравитация ведет себя по-другому на больших масштабах, либо во Вселенной есть дополнительная материя, которую мы не видим», — подчеркивает Гальярдо.

Что дальше

Ученые планируют использовать новые наблюдения космического микроволнового фонового излучения и более масштабные исследования галактик для уточнения измерений и проверки пределов применимости теории гравитации.

Несмотря на нерешенные вопросы, результаты подтверждают, что основные законы Ньютона и Эйнштейна продолжают работать даже в масштабах, которые были невообразимы в то время, когда они были сформулированы.