RW Space

Движение скоплений галактик в далекой Вселенной только что стало крупнейшей проверкой законов гравитации.

В масштабах, охватывающих сотни миллионов световых лет, гравитация продолжает вести себя так, как предсказал Исаак Ньютон в своем универсальном законе гравитации.

Согласно этому закону, каждая частица во Вселенной оказывает гравитационное воздействие на другие частицы, пропорциональное ее массе и обратно пропорциональное квадрату расстояние между центрами масс двух частиц.

Наблюдение этого эффекта в скоплениях галактик, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет, укрепляет наше нынешнее понимание гравитации, а также усиливает аргументы в пользу загадочного теоретического источника необъяснимого гравитационного притяжения, известного как темная материя.

«Примечательно, что закон обратных квадратов, предложенный Ньютон в 17 веке, а затем включенный в общую теорию относительности Эйнштейна, – все еще удерживает свои позиции в 21 веке», – говорит космолог Патрисио Галлардо из Пенсильванского университета.

Когда мы смотрим на Вселенную, возникает странное несоответствие.

На основе переписи всей нормальной барионной материи – это то, из чего состоит все, что мы можем видеть. включая звезды, галактики, черные дыры, планеты, пыль и даже нас – и наше понимание того, как ведет себя эта материя, показывает, что все движется не так, как должно.

Галактики вращаются слишком быстро. Свет, путешествующий по Вселенной, следует гравитационной кривизне пространства-времени, слишком выраженной для одной только барионной массы.

Скопления галактик, которые должны разлететься, вместо этого прочно связаны друг с другом. Крошечные колебания космического микроволнового фона имеют смысл только в том случае, если большая часть материи во Вселенной невидима.

Существует два основных объяснения этих расхождений. Одним из них является темная материя, которую мы не можем непосредственно обнаружить и которая взаимодействует с барионной Вселенной только посредством гравитации.

Основываясь на измерениях вышеупомянутых явлений, примерно 85 процентов материи во Вселенной является темной.

Другое объяснение состоит в том, что чего-то не хватает в наших определениях гравитации, сначала предложенных Ньютоном, а затем уточненных Альбертом Эйнштейном.

«Это центральная загадка», — говорит Галлардо. «Либо гравитация ведет себя по-другому в очень больших масштабах, либо Вселенная содержит дополнительную материю, которую мы не можем видеть напрямую».

Один из способов подвергнуть сомнению эти варианты — искать новые доказательства существования темной материи. Другой – проверить, соответствует ли гравитация законам физики.

Галлардо и его коллеги выбрали последнее, измерив скорости далеких скоплений галактик в пространстве на расстоянии от 5 до 7 миллиардов световых лет.

Эта выборка содержит около 686 000 галактик, многие из которых связаны в скопления, гравитационно движущиеся навстречу друг другу.

Чтобы измерить скорости этих скоплений, исследователи использовали так называемый кинематический эффект Сюняева-Зельдовича. Первый свет, который свободно течет через Вселенную, сегодня повсюду вокруг нас – это космический микроволновый фон, или реликтовое излучение.

На своем пути к нам свет реликтового излучения часто проходит через огромные облака горячего газа, окружающие скопления галактик. Если кластер не движется, свет просто движется по прямой линии; но если кластер движется, то фотоны реликтового излучения рассеиваются на свободных электронах, слегка смещая сигнал реликтового излучения.

Измеряя степень сдвига, ученые могут определить, насколько быстро двигался кластер, когда через него проходил свет. Скорости, с которыми два скопления движутся навстречу друг другу, затем можно использовать для исследования задействованных масс и поведения действующих гравитационных сил.

Если бы потребовалась модификация наших теорий гравитации, гравитационные силы были бы сильнее на больших расстояниях от задействованных масс; то есть они будут ослабевать медленнее с расстоянием.

Вместо этого исследователи заметили, что гравитационное притяжение между скоплениями быстро исчезало на больших расстояниях, что соответствует теориям Ньютона и Эйнштейна.

Связано: Захватывающий новый крест Эйнштейна обнаружил искривление пространства-времени

Это говорит о том, что темная материя является более подтверждённым объяснением странных гравитационных эффектов, наблюдаемых во Вселенной, чем модифицированное гравитация, но она по-прежнему оставляет многие вопросы без ответа.

«Это исследование подтверждает доказательства того, что Вселенная содержит компонент темной материи, но мы до сих пор не знаем, из чего состоит этот компонент», — говорит Галлардо.

«При таком большом количестве вопросов без ответов гравитация остается одной из самых интересных областей исследований. Это естественно привлекательная область».

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.