Скупчення галактик підкоряються закону обернених квадратів на відстані сотень мільйонів світлових років.
Через понад три століття після того, як Ісаак Ньютон запропонував закон всесвітнього тяжіння, космологи підтвердили його, використовуючи найбільші об’єкти у Всесвіті. Знаменитий закон обернених квадратів Ньютона вже давно перевірили в лабораторних експериментах та в межах Сонячної системи. Нове дослідження, результати якого опубліковано минулого місяця у Physical Review Letters, поширює закон на максимально можливі масштаби: скупчення галактик, розділені сотнями мільйонів світлових років.
«Ми знаємо, що це неймовірно добре працює як на Землі, так і в межах окремих галактик», — сказала Пріямвада Натараян (Priyamvada Natarajan), астрофізик з Єльського університету. «Вони перевіряють це в космологічних масштабах». Результат не дивує, каже вона, але він посилює обмеження щодо альтернативної теорії, модифікованої ньютонівської динаміки (modified Newtonian dynamics, MOND), яка експериментує з ефектами гравітації, щоб пояснити темну матерію — невидиму субстанцію, гравітація котрої, здається, зв’язує зорі всередині галактик.
Закон Ньютона стверджує, що сила тяжіння між двома масивними об’єктами змінюється обернено пропорційно квадрату відстані між ними. Опублікована в 1687 році в Principia Mathematica (ідеться про Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica — Ред.), ця формула одразу дала змогу Ньютону пояснити орбіти планет, кількісно визначені в трьох емпіричних законах руху планет Йоганна Кеплера. Століттям пізніше Генрі Кавендіш підтвердив цей закон у лабораторії, підвісивши невелику гантель до тонкого дроту та піднісши інші вантажі близько до її кінців. Вимірявши скручування дроту, він визначив, як змінюється незначна сила тяжіння між вантажами залежно від відстані між ними. Сьогодні фізики виконують удосконалені версії експерименту Кавендіша, щоб знайти відхилення від закону обернених квадратів, які могли б сигналізувати про нові сили, що діють на коротких відстанях.
Тепер дослідники з Атакамського телескопа для космології (Atacama Cosmology Telescope ACT) у Чилі виконали такі тести у протилежному напрямку до найбільших можливих масштабів. «Скупчення галактик — це буквально найбільші структури у Всесвіті», — сказав перший автор дослідження Патрісіо Ґальярдо (Patricio Gallardo), співробітник ACT та космолог з Пенсільванського університету. Кожне таке скупчення може містити сотні галактик, пов’язаних взаємною гравітацією. Його маса може бути в квадрильйони разів більшою, ніж маса Сонце, а протяжність скупчення — десятки мільйонів світлових років.
Дослідники вивчали силу, що діє на сотні тисяч скупчень, поєднуючи окремі статистичні вимірювання їхнього положення та швидкості їхнього руху. Так само, як планети, що містяиться ближче до Сонця, рухаються швидше, два скупчення, що лежать ближче одне до одного, рухатимуться швидше одне відносно одного, зазначив Кріс Пардо (Kris Pardo), співавтор дослідження та космолог з Університету Південної Каліфорнії. Отже, те, як змінюється відносна швидкість будь-яких двох скупчень залежно від відстані між ними, дає змогу досліджувати природу гравітації.
Але не простим способом. Це тому, що відносна швидкість двох скупчень залежить не лише від сили тяжіння, яку вони самі створюють, але й від сили тяжіння всіх навколишніх скупчень. Щоб врахувати цю складність, дослідники спочатку визначили міру просторового розподілу галактик за допомогою Слоанівського цифрового огляду неба (Sloan Digital Sky Survey). Науковці, які з 2000 року виконують цей огляд, нанесли на мапу мільйони галактик. До цього просторового розподілу вони застосували узагальнений закон сили з регульованими параметрами, щоб передбачити, як відносна швидкість пар скупчень змінюватиметься з відстанню.
Потім дослідники порівняли цей прогноз з даними про швидкість, отриманими за допомогою ACT, який працював протягом 2007 — 2022 років. ACT вимірював післясвітіння Великого вибуху, космічний мікрохвильовий фон (cosmic microwave background, CMB), і був особливо корисним для виявлення скупчень галактик. Коли фотони від CMB проходять крізь скупчення галактик, вони стикаються з електронами всередині нього, набуваючи або втрачаючи енергію залежно від того, чи рухається скупчення до Землі чи від неї — ефект, відомий як кінематичний ефект Сюняєва-Зельдовича (kinematic Sunyaev-Zeldovich, kSZ). Цей ефект полегшує виявлення скупчень і забезпечує прямі вимірювання їхньої швидкості. «Це спостереження є перлиною в короні», — сказала Натараян.
Щоб уникнути незрозумілих ефектів розширення Всесвіту та темної енергії, що розтягує простір, дослідники зосередилися на скупченнях, що містяться на відстані від 5,6 мільярда до 7,7 мільярда світлових років від нас — це лише моментальний знімок у космічному часі. За словами Пардо, наукова група досліджувала прискорення до 10 фемтометрів на секунду в квадраті, що становить одну квадрильйонну частину сили тяжіння Землі. На відстанях від 80 мільйонів до 800 мільйонів світлових років сила тяжіння змінювалася як одиниця на відстань у степені 2,1, плюс — мінус 0,3, що чітко підтверджує закон всесвітнього тяжіння Ньютона.
Перемога Ньютона відбувається за рахунок теорії MOND. Запропонована в 1980-х роках, щоб уникнути використання темної матерії, ця теорія не змінює закон гравітації Ньютона, а натомість змінює другий закон руху Ньютона — сила дорівнює масі, помноженій на прискорення — при надзвичайно низьких прискореннях. Але якби MOND була точною, то на найбільших масштабах гравітація фактично змінювалася б на одиницю з відстанню, а не з квадратом відстані. За допомогою MOND окремі науковці роблять спроби описати еволюцію Всесвіту, і нові дані завдають ще одного удару по цій теорії, заукважив Ґальярдо.
Можливо, що ще важливіше, дослідження демонструє силу вимірювання швидкостей за допомогою ефекту kSZ, сказав Пардо. Наступник ACT, масив мікрохвильових телескопів під назвою Обсерваторія Саймонса (Simons Observatory), почав збирати дані. Він вимірюватиме ефект kSZ з набагато більшою точністю й буде інструментом для відстеження темної енергії та історії розширення Всесвіту, підсумував Пардо. «За допомогою цього методу можна зробити набагато більше».
За інф. з сайту www.science.org
