Gravitacija, kaip ją supranta dauguma žmonių, yra pažįstama jėga, kuri traukia krintantį obuolį link Žemės. Tačiau astronomams ir fizikos teoretikams ji taip pat yra nematomas architektas, kuris vadovauja didžiausių kosminių struktūrų formavimuisi ir evoliucijai visoje Visatoje.
Galaktikos spiečių santykinis judėjimas gali atskleisti, kaip stipriai gravitacija traukia didžiuliais atstumais. Iliustracija: Lucy Reading / Simonso fondas
Dešimtmečius mįslingi neįprastai greitai judančių galaktikų stebėjimai vertė tokius kosmologus kaip Patricio A. Gallardo iš Pensilvanijos universiteto iš naujo persvarstyti fizikos pagrindus, pavyzdžiui, tyrinėjant, ar Isaaco Niutono ir Alberto Einšteino aprašyti gravitacijos dėsniai tikrai galioja visur.
„Astrofiziką kamavo didžiulis kosminės apskaitos neatitikimas“, – sako Gallardo. „Kai stebime, kaip žvaigždės skrieja galaktikų viduje arba kaip galaktikos juda galaktikų spiečių viduje, kai kurios atrodo skriejančios per greitai, atsižvelgiant į jose esančio matomos materijos kiekį.“
Šis neatitikimas verčia rinktis tarp dviejų radikalių išvadų, aiškina jis. Arba Visatoje yra masyvios nematomos „tamsiosios materijos“ koncentracijos, kurios suteikia papildomą gravitacinę trauką, arba reikia modifikuoti pagrindines gravitacijos lygtis.
Atakamos kosmologijos teleskopas matuoja seniausią šviesą Visatoje, vadinamą kosminiu mikrobangų fonu. Naudodamiesi šiais matavimais, mokslininkai gali apskaičiuoti Visatos amžių. Nuotrauka: Debra Kellner
Dabar, naudodamiesi Atakamos kosmologijos teleskopo (ACT) stebėjimais, maždaug keturių aukštų pastato dydžio teleskopas, išbandė gravitacijos veikimą galaktikų spiečiams, atskirtiems šimtais milijonų šviesmečių – tai didžiausias iki šiol atliktas gravitacijos zondavimas.
Jų išvados, paskelbtos žurnale „Physical Review Letters“, rodo, kad gravitacijos stiprumas silpnėja didėjant atstumui beveik tiksliai taip, kaip prognozavo Niutono sukurtos lygtys, kurios vėliau buvo įtrauktos į Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją.
„Nuostabu, kad atvirkštinio kvadrato dėsnis, kurį Niutonas pasiūlė XVII amžiuje ir vėliau buvo įtrauktas į Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją, vis dar laikosi savo pozicijos XXI amžiuje“, – sako Gallardo.
Patvirtinimas, kad gravitacija elgiasi taip, kaip prognozuoja nusistovėjusi teorija, dideliais, ekstragalaktiniais atstumais, sustiprina esminį šiuolaikinio mokslo ramstį, aiškina Gallardo: standartinį kosmologijos modelį. Parodydami, kad pagrindinės gravitacijos teorijos nesuyra didžiausiais masteliais, duomenys faktiškai užveria duris tokiai teorijų grupei kaip modifikuota Niutono dinamika, kuri bando paaiškinti kosminius judėjimus modifikuodama gravitacijos dėsnius.
Kai Niutonas pasiūlė atvirkštinį kvadratinį sąryšį, kuriame teigiama, kad gravitacija silpnėja proporcingai atstumo tarp objektų kvadratui, jis pirmiausia rūpinosi objektų judėjimo Saulės sistemoje aprašymu. Tas pats principas dabar buvo išbandytas su masėmis ir atstumais, kurie buvo „neįsivaizduojami Niutono laikais“, sako Gallardo.
Kosminio mikrobangų fono šviesa sklinda pro karštas dujas aplink du galaktikų spiečių, užfiksuodama mažyčius iškraipymus, kuriuos teleskopai gali panaudoti spiečių judėjimo mechanizmui nustatyti. Nuotrauka: Lucy Reading / Simons Foundation
Visatos „greičio ribų“ supratimas
Visatos galaktikos, kurių yra daugiau nei 200 milijardų, nejuda taip, kaip vien nurodo gravitacija.
Vadovaudamiesi Niutono logika, žvaigždės, esančios toliau nuo galaktikos centro, turėtų skrieti lėčiau. Vietoj to, astronomai mato priešingai. Tolimiausi regionai juda daug greičiau, nei gali paaiškinti matoma materija. Tas pats neatitikimas pasireiškia galaktikų spiečiams, kur ištisos galaktikos juda per greitai, palyginti su jų mase.
„Tai yra pagrindinė mįslė“, – aiškina Gallardo. „Arba gravitacija labai dideliais masteliais elgiasi skirtingai, arba Visatoje yra papildomos materijos, kurios negalime tiesiogiai matyti.“
Gravitacijos kosmose bandymai
Norėdami tai patikrinti, tyrėjai pasitelkė ACT stebėjimus šviesai, išsiskyrusiai maždaug po 380 000 metų po Didžiojo sprogimo ir nuo to laiko keliaujančią Visata, vadinamą kosminiu mikrobangų fonu.
Šiai senovinei šviesai sklindant pro didžiulius galaktikų spiečiais, jos judėjimas ją šiek tiek pakeičia, palikdamas silpnus pėdsakus, kuriuos astronomai gali aptikti. Nuskaitydami šiuos iškraipymus ir matuodami juos šimtuose tūkstančių spiečių, atskirtų dešimtimis milijonų šviesmečių, tyrėjai nustatė, kaip stipriai gravitacija traukia didžiausias kosmoso struktūras. Jei modifikuotos gravitacijos teorijos, būtų teisingos, matavimai atskleistų kitokį gravitacijos poveikį.
Vietoj to, rezultatai beveik tiksliai sutapo su Niutono ir Einšteino teorijomis.
Kadangi ši prognozė pasitvirtina, trūkstamos masės problemos negalima paaiškinti keičiant pačią gravitaciją, o tai sustiprina prielaidą, kad nematomas komponentas – tamsioji materija – turi teikti papildomą trauką.
Tamsiosios materijos paslaptis
Suprasti, kas iš tikrųjų yra tamsioji materija, išlieka vienu didžiausių šiuolaikinės fizikos iššūkių.
„Šis tyrimas sustiprina įrodymus, kad Visatoje yra tamsiosios materijos komponentas“, – sako Gallardo. „Tačiau mes vis dar nežinome, iš ko tas komponentas sudarytas.“
Būsimi kosminių mikrobangų stebėjimai ir didesnių galaktikų tyrimai leis fizikams ir astronomams dar tiksliau patikrinti gravitaciją.
„Turint tiek daug neatsakytų klausimų, o gravitacija išlieka viena įdomiausių tyrimų sričių. Tai natūraliai patraukli sritis“, – teigia Gallardo.
Anonymous, Test of the gravitational force law on cosmological scales using the kinematic Sunyaev-Zeldovich effect, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/rk8v-rcm3
Journal information:Physical Review Letters
Gravitacinės bangos kaip galimi tamsiosios materijos kilmės kandidatai
Rekordinė gravitacinė banga padeda patikrinti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją
Visata gali baigtis „didžiuoju susitraukimu“, rodo nauji tamsiosios energijos duomenys