300-летний закон Ньютона выдержал самое большое испытание

Гравитация — это не только сила, которая притягивает яблоки к земле. Она управляет движением галактик и целых скоплений. Учёные из Пенсильванского университета во главе с Патрисио Гальярдо решили проверить, работают ли законы Ньютона и Эйнштейна в масштабах Вселенной.

Исследователи использовали данные телескопа Atacama Cosmology Telescope (ACT) в Чили. Они проанализировали движение сотен тысяч скоплений галактик [1]. Расстояния между ними достигали сотен миллионов световых лет. Результаты показали, что гравитация подчиняется закону обратных квадратов даже на таких огромных дистанциях [2]. Это открытие укрепляет стандартную космологическую модель и наносит удар по альтернативным теориям гравитации.

Как учёные проверяли гравитацию

Команда Гальярдо применила новаторский метод. Они измерили скорости скоплений галактик с помощью реликтового излучения [3]. Это древний свет, оставшийся после Большого взрыва. Когда он проходит через скопления галактик, его фотоны взаимодействуют с электронами. В результате возникает эффект Сюняева-Зельдовича.

Этот эффект позволяет учёным определять скорость движения скоплений [4]. Исследователи сопоставили эти данные с картами распределения галактик. Они получили зависимость скорости от расстояния. Закон Ньютона предсказывает, что сила притяжения между объектами убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Чем дальше друг от друга находятся два скопления, тем слабее они притягиваются.

Альтернативная теория MOND (модифицированная ньютоновская динамика) предсказывала другое поведение. Согласно ей, гравитация должна убывать медленнее — обратно пропорционально первой степени расстояния. Однако данные ACT показали, что гравитация ведёт себя ровно так, как предсказывали Ньютон и Эйнштейн.

Этот результат имеет ключевое значение для астрофизики. «Замечательно, что закон обратных квадратов, предложенный Ньютоном в XVII веке и включённый в теорию относительности Эйнштейна, сохраняет свою силу в XXI веке», — подчёркивает Гальярдо [2].

Почему галактики движутся слишком быстро

Учёные давно столкнулись с загадкой. Звёзды на окраинах галактик движутся быстрее, чем должно быть при наблюдаемой массе [5]. То же самое происходит и в скоплениях галактик. Этот факт указывает на одно из двух: либо существуют невидимые массы (тёмная материя), либо законы гравитации нужно пересмотреть.

Новое исследование подтверждает наличие тёмной материи. Поскольку гравитация ведёт себя предсказуемо, аномалии нельзя объяснить её модификацией. Гальярдо отмечает: «Это центральная загадка. Либо гравитация работает иначе на больших масштабах, либо во Вселенной существует дополнительная невидимая материя» [3].

Что это значит для космологии

Открытие укрепляет стандартную космологическую модель. Оно закрывает дверь перед теориями, пытающимися объяснить движение галактик без тёмной материи [1]. Однако природа тёмной материи остаётся неизвестной. «Это исследование укрепляет доказательства того, что во Вселенной есть тёмная материя, — говорит Гальярдо. — Но мы всё ещё не знаем, из чего она состоит» [4].

Впереди учёных ждут новые открытия. Обсерватория Саймонса, преемник телескопа ACT, будет изучать гравитацию с ещё большей точностью [2]. Она сможет проверить гравитацию на масштабах до миллиарда световых лет. «Гравитация остаётся одной из самых увлекательных областей исследований», — заключает Гальярдо [5].

Список источников

1. Universe Space Tech. Newton’s law of gravity passes the biggest test in history
2. Simons Foundation. Gravity Follows Newton’s and Einstein’s Rules, Even at Cosmic Scales
3. Science | AAAS. Newton’s law of gravity passes its biggest test ever
4. EurekAlert!. Gravity follows Newton and Einstein’s rules, even at cosmic scales
5. Times of India. Scientists tested Newton’s Law across 750 million light-years