Гравитация выдержала крупнейшую проверку за всю историю — в пользу тёмной материи и в подтверждение закона Ньютона
Гравитация, привычно ассоциирующаяся с тем, что притягивает предметы к Земле, на самом деле задаёт невидимый каркас, определяющий формирование и эволюцию галактик, скоплений галактик и самых больших структур Вселенной. В течение десятилетий астрономы сталкивались с наблюдениями, которые не укладываются в простую картину, выведённую по видимой материи: отдельные звёзды и целые галактики движутся значительно быстрее, чем это можно объяснить их видимой массой. Эта несогласованность побудила космологов, в том числе исследователя из Университета Пенсильвании Патрисио А. Гальярдо, проверить, остаются ли установленные Исааком Ньютоном и Альбертом Эйнштейном законы гравитации справедливыми по всей Вселенной.
«Астрофизику преследует огромный разрыв в космической учётной книге, — говорит Гальярдо. — Когда мы смотрим, как звёзды обращаются в галактиках или как сами галактики двигаются в пределах скоплений, некоторые выглядят так, будто движутся слишком быстро для того количества видимой материи, которое у них есть». По словам Гальярдо, это несоответствие ведёт к двум принципиально разным возможностям. Либо Вселенная содержит большое количество невидимой «тёмной материи», чья гравитация обеспечивает дополнительное притяжение, либо базовые уравнения гравитации требуют модификации.
Проверка гравитации на беспрецедентных космических масштабах
Гальярдо и его коллеги провели необычайно масштабный тест гравитации, используя данные Атакамской радиотелескопической обсерватории космологического диапазона (Atacama Cosmology Telescope, ACT) — инструмента высотой в несколько этажей, разработанного с крупным участием исследователей Университета Пенсильвании под руководством Марка Девлина. Команда исследовала гравитацию в скоплениях галактик, разделённых сотнями миллионов световых лет, что делает это испытание самым крупномасштабным тестом гравитации на текущий момент.
Результаты, опубликованные в Physical Review Letters, показывают, что сила гравитации убывает с расстоянием почти точно так, как предсказывают уравнения Ньютона и позже включённые в теорию общей относительности Эйнштейна. «Поразительно, что закон обратных квадратов — предложенный Ньютоном и впоследствии вошедший в теорию Эйнштейна — по-прежнему держит позиции в настоящую эпоху», — отмечает Гальярдо. Это открытие укрепляет одну из опор современной космологии: демонстрация того, что устоявшиеся теории гравитации работают на огромных расстояниях, усиливает стандартную космологическую модель и резко сужает круг альтернатив, включая модифицированную ньютоновскую динамику (MOND), которые пытаются объяснить необычные движения изменением законов гравитации.
Ньютон изначально вывел закон обратных квадратов для описания движений в Солнечной системе: гравитационная сила убывает пропорционально квадрату расстояния между двумя телами. Учёные теперь проверили ту же зависимость для масс и расстояний, «немыслимых во времена Ньютона», как говорит Гальярдо. Во Вселенной насчитывается более двух сотен миллиардов галактик, и их движения давно составляют серьёзную головоломку. По простой ньютоновской картине звёзды, обращающиеся дальше от центра галактики, должны двигаться медленнее, но наблюдения показывают обратное: звёзды во внешних регионах галактик движутся значительно быстрее, чем это можно объяснить видимой массой. Аналогичная проблема наблюдается и в скоплениях галактик: целые галактики пролетают через эти огромные образования на скоростях, несоизмеримых с их наблюдаемой массой.
«Вот в чём центральная загадка, — поясняет Гальярдо. — Либо гравитация ведёт себя иначе на очень больших масштабах, либо во Вселенной есть дополнительная материя, которую мы не видим напрямую».
Древний свет как тест гравитации
Чтобы выяснить, какое объяснение лучше согласуется с данными, исследователи проанализировали наблюдения ACT космического микроволнового фона (CMB) — древнего света, высвободившегося примерно через сотни тысяч лет после Большого взрыва и путешествующего по Вселенной с тех пор. При прохождении через массивные скопления галактик этот свет испытывает крошечные изменения из-за движения самих скоплений; астрономы умеют обнаруживать такие слабые сигнатуры и использовать их для изучения движений скоплений. Исследуя эти эффекты для сотен тысяч скоплений, разделённых десятками миллионов световых лет, учёные смогли оценить, насколько сильно гравитация действует на одни из крупнейших структур во Вселенной.
Если бы правильным было модифицированное гравитационное объяснение, подобное MOND, измерения показали бы более медленное падение силы гравитации с расстоянием. Однако команда обнаружила совсем иное: результаты оказались почти точно в том диапазоне, где согласуются ньютоновская теория и теория Эйнштейна. Поскольку гравитация вели себя так, как предсказывают устоявшиеся теории, изменение закона гравитации не объясняет «недостающую» массу, выявленную наблюдениями. Следовательно, результат усиливает гипотезу о том, что дополнительное притяжение создаёт невидимый компонент — тёмная материя.
Открытие укрепляет доказательства существования тёмной материи, но не отвечает на один из крупнейших оставшихся вопросов физики: из чего именно состоит тёмная материя. «Это исследование усиливает доказательства того, что во Вселенной есть компонент тёмной материи, — говорит Гальярдо. — Но мы до сих пор не знаем, из чего состоит этот компонент».
Перспективы
Будущие измерения CMB вместе с более обширными обзорами галактик позволят астрономам и физикам тестировать гравитацию с ещё большей точностью. «При таком количестве нерешённых вопросов гравитация остаётся одной из самых увлекательных областей исследований. Это по‑настоящему притягательная сфера», — с улыбкой замечает Гальярдо. Исследователь Патрисио Гальярдо является научным сотрудником факультета астрономии и физики в Школе искусств и наук Университета Пенсильвании. В работе участвовали более сорока исследователей из учреждений разных стран. Вклад отдельных участников поддерживался различными стипендиями и национальными фондами. Проект ACT получает основную поддержку от Национального научного фонда США, а также от ряда университетов и организаций, участвовавших в разработке детекторов и оптики.
Названная публикация: P. A. Gallardo и соавторы. Test of the Gravitational Force Law on Cosmological Scales Using the Kinematic Sunyaev–Zeldovich Effect. Physical Review Letters.