Закон всемирного тяготения Ньютона выдержал самое серьёзное испытание 

Фото из открытых источников

Спустя более чем три столетия после того, как Исаак Ньютон сформулировал свой закон гравитации, космологи подтвердили его, используя самые большие объекты во Вселенной. Знаменитый закон обратных квадратов Ньютона давно был подтвержден в лабораторных экспериментах и в пределах Солнечной системы. Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, распространяет этот закон на самые большие возможные масштабы: скопления галактик, разделенные сотнями миллионов световых лет.

«Мы знаем, что эта теория невероятно хорошо работает на Земле и в отдельных галактиках», — говорит астрофизик Приямвада Натараджан. «Они проверяют её в космологических масштабах». Результат не удивителен, но он усиливает давление на альтернативную теорию, модифицированную ньютоновскую динамику (MOND), которая изменяет эффекты гравитации, чтобы объяснить существование тёмной материи — невидимого вещества, гравитация которого, по-видимому, связывает звёзды внутри галактик.

Закон Ньютона гласит, что гравитационная сила между двумя массивными объектами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Опубликованная в 1687 году в «Математических принципах», эта формула сразу же позволила Ньютону объяснить орбиты планет, как это было количественно описано в трех эмпирических законах движения планет Иоганна Кеплера. Столетие спустя Генри Кавендиш подтвердил этот закон в лаборатории, подвесив небольшую гантель на тонкой проволоке и приблизив к ее концам другие грузы. Измеряя скручивание проволоки, он определил, как ничтожно малая сила притяжения между грузами изменяется в зависимости от расстояния между ними. Сегодня физики проводят усовершенствованные версии эксперимента Кавендиша, чтобы найти отклонения от закона обратных квадратов, которые могли бы указывать на новые силы ближнего действия.

Теперь исследователи с помощью Атакамского космологического телескопа (ACT) в Чили направили подобные эксперименты в противоположное русло, к самым большим мыслимым масштабам. «Галактические скопления — это буквально самые большие структуры во Вселенной», — говорит ведущий автор исследования космолог Патрисио Гальярдо из Университета Пенсильвании. Каждое из этих скоплений может содержать сотни галактик, связанных взаимной гравитацией. Скопление может весить в квадриллион раз больше Солнца и простираться на десятки миллионов световых лет.

Исследователи изучили взаимодействие сотен тысяч скоплений, объединив отдельные статистические измерения их положения и скоростей движения. Подобно тому, как планеты, расположенные ближе к Солнцу, движутся быстрее, два скопления, находящиеся ближе друг к другу, будут двигаться быстрее относительно друг друга, говорит соавтор исследования космолог Крис Пардо из Университета Южной Калифорнии. Таким образом, то, как относительная скорость любых двух скоплений изменяется в зависимости от расстояния между ними, позволяет исследовать природу гравитации.

Но не простым способом. Дело в том, что относительная скорость двух скоплений зависит не только от гравитационного притяжения, которое они сами создают, но и от гравитации всех окружающих скоплений. Чтобы учесть это осложнение, исследователи сначала получили данные о пространственном распределении галактик из Слоановского цифрового обзора неба (Sloan Digital Sky Survey), в рамках которого с 2000 года были нанесены на карту миллионы галактик. К этому пространственному распределению они применили обобщенный закон силы с регулируемыми параметрами, чтобы предсказать, как относительная скорость пар скоплений будет изменяться с расстоянием.

Затем исследователи сравнили это предсказание с данными о скорости, полученными с помощью прибора ACT, работавшего с 2007 по 2022 год. Прибор ACT измерял послесвечение Большого взрыва, космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ), и был особенно эффективен для обнаружения скоплений галактик. Когда фотоны из КМФИ проходят через скопление галактик, они сталкиваются с электронами внутри него, получая или теряя энергию в зависимости от того, движется ли скопление к Земле или от нее — эффект, известный как кинематический эффект Суняева-Зельдовича (кЗЗ). Этот эффект позволяет легко обнаруживать скопления и дает непосредственное представление об их скоростях. 

Чтобы избежать искажающих эффектов, связанных с расширением Вселенной и растягивающей пространство темной энергией, исследователи сосредоточились на скоплениях галактик на расстоянии от 5,6 до 7,7 миллиардов световых лет — моментальном снимке космического времени. По словам Пардо, команда исследовала ускорения, составляющие всего 10 фемтометров в секунду в квадрате, что в 1 квадриллион раз меньше земной гравитации. На расстояниях от 80 до 800 миллионов световых лет сила гравитации изменялась как единица на расстоянии в степени 2,1, плюс-минус 0,3, что четко подтверждает закон гравитации Ньютона.

Победа Ньютона одержана за счет теории MOND. Предложенная в 1980-х годах, чтобы избежать упоминания темной материи, эта теория не меняет закон гравитации Ньютона, но вместо этого изменяет второй закон движения Ньютона — сила равна массе, умноженной на ускорение — при чрезвычайно малых ускорениях. Но если бы теория MOND была точной, то на самых больших масштабах гравитация фактически изменялась бы как единица в зависимости от расстояния, а не от квадрата расстояния. Теория MOND и так с трудом описывает эволюцию Вселенной, а новые данные наносят еще один удар, говорит Гальярдо.

Возможно, еще более важным является то, что исследование демонстрирует возможности измерения скоростей с помощью эффекта kSZ, говорит Пардо. Преемник ACT, массив микроволновых телескопов под названием обсерватория Саймонса, начал сбор данных. Он будет измерять эффект kSZ с гораздо большей точностью, предоставляя инструмент для отслеживания темной энергии и истории расширения Вселенной, говорит Пардо. «С помощью этого метода можно сделать гораздо больше».