Gravitatsioon järgib Newtoni ja Einsteini reegleid isegi kosmilistel skaaladel

Penni füüsik Patricio Gallardo ja tema kaastöötajad jälgivad sadade miljonite valgusaastate kaugusel asuvaid galaktikaparve, et Newtoni ja Einsteini kirjutatud gravitatsiooniseadused kehtivad endiselt, jättes vähe kahtlust nähtamatu tumeaine olemasolus.

Peamised kaasavõtmised

• Penni füüsik Patricio Gallardo ja tema kaastöötajad jälgisid seni suurimas gravitatsioonisondis kaugete galaktikaparvede liikumist, et testida, kas gravitatsiooniseadused toimivad endiselt universumi suurimates struktuurides.
• Tulemused näitavad, et gravitatsioon käitub samamoodi nii tohututel kosmilistel skaaladel kui ka kodule lähemal, järgides reegleid, mida esmakordselt kirjeldas Isaac Newton ja hiljem täpsustas Albert Einstein.
• Need leiud seavad kahtluse alla alternatiivsed teooriad, mis viitavad gravitatsiooni muutustele suurtel vahemaadel.
• Uuring kinnitab väidet, et universum sisaldab suures koguses nähtamatut tumeainet.

Enamik inimesi mõistab gravitatsiooni kui tuttavat jõudu, mis tõmbab langevat õuna Maa poole. Kuid astronoomide ja teoreetiliste füüsikute jaoks on see ka tüütu nähtamatu arhitekt, mis juhib universumi suurimate kosmiliste struktuuride kuju ja evolutsiooni.

Aastakümneid on ebatavaliselt kiiresti liikuvate galaktikate hämmastavad vaatlused sundinud kosmolooge nagu ... University of Pennsylvania'S Patricio A. Gallardo uurib uuesti füüsika põhitõdesid, uurides näiteks, kas Isaac Newtoni ja Albert Einsteini kirjeldatud gravitatsiooniseadused kehtivad tõepoolest kõikjal.

„Astrofüüsikat on vaevanud tohutu lahknevus kosmilises pearaamatus,“ ütleb Gallardo. „Kui vaatleme, kuidas tähed galaktikate sees tiirlevad või kuidas galaktikad galaktikaparvedes liiguvad, siis mõned näivad liikuvat liiga kiiresti, arvestades nendes sisalduva nähtava aine hulka.“ 

See ebakõla sunnib valima kahe radikaalse järelduse vahel, selgitab ta. Kas universumis on tohutu hulga nähtamatut „tumeainet“, mis pakub täiendavat gravitatsioonilist tõmbejõudu, või „tuleb muuta gravitatsiooni põhivõrrandeid“.

Nüüd, kasutades Atacama kosmoloogiateleskoobi (ACT) vaatlusi, umbes kolme- kuni neljakorruseline teleskoop, mille töötasid välja mitme institutsiooni koostöös, sealhulgas Penni teadlased eesotsas Mark DevlinGallardo ja tema kaastöötajad on testinud gravitatsiooni galaktikaparvede vahel, mis on eraldatud sadade miljonite valgusaastate kaugusel – see on seni suurim gravitatsiooni sond.

Nende leiud, mis avaldati aastal Physical Review Letters, näitavad, et gravitatsiooni tugevus nõrgeneb kaugusega peaaegu täpselt nii, nagu ennustasid Newtoni väljatöötatud ja hiljem Einsteini üldrelatiivsusteooriasse lisatud võrrandid.

„On tähelepanuväärne, et ruutude pöördtehe seadus – mille Newton pakkus välja 17. sajandil ja mis seejärel lisati Einsteini üldrelatiivsusteooriasse – hoiab oma kohta endiselt 21. sajandil,“ ütleb Gallardo.

Gallardo selgitab, et kinnitus selle kohta, et gravitatsioon käitub ulatuslikel ekstragalaktilistel vahemaadel nii, nagu väljakujunenud teooria ennustab, tugevdab tänapäeva teaduse ühte alustala: kosmoloogia standardmudelit. Näidates, et gravitatsiooni fundamentaalsed teooriad ei lagune suurimatel skaaladel, sulgevad andmed ukse sellistele teooriatele nagu modifitseeritud Newtoni dünaamika (MOND), mis püüavad kosmilisi liikumisi seletada gravitatsiooniseadusi muutes.

Kui Newton pakkus välja pöördvõrdelise ruudulise seose, mis väidab, et gravitatsioon nõrgeneb võrdeliselt objektidevahelise kauguse ruuduga, oli ta peamiselt huvitatud objektide liikumise kirjeldamisest Päikesesüsteemis. Sama põhimõtet on nüüd testitud masside ja vahemaade puhul, mis olid „Newtoni ajal mõeldamatud“, ütleb Gallardo.

Universumi kiirusepiirangute mõistmine

Universumi galaktikad – mida on üle 200 miljardi – ei liigu nii, nagu ainuüksi gravitatsioon ütleb.

Newtoni loogikat järgides peaksid galaktika keskpunktist kaugemal olevad tähed tiirlema ​​aeglasemalt. Selle asemel näevad astronoomid vastupidist. Äärepoolseimad piirkonnad liiguvad palju kiiremini, kui nähtav aine suudab seletada. Sama ebakõla ilmneb galaktikaparvedes, kus terved galaktikad liiguvad oma massi kohta liiga kiiresti.

„See ongi peamine mõistatus,“ selgitab Gallardo. „Kas gravitatsioon käitub väga suurtel skaaladel erinevalt või sisaldab universum lisaks ainet, mida me otse näha ei saa.“

Raskusjõu testimine kosmoses

Selle testimiseks pöördusid teadlased ACT vaatluste poole valguse kohta, mis vabanes umbes 380 000 aastat pärast Suurt Pauku ja on sellest ajast alates universumis ringi liikunud, mida tuntakse kosmilise mikrolaine taustana.

Kui see iidne valgus läbib massiivseid galaktikaparve, muudab nende liikumine seda peenelt, jättes maha nõrgad jäljed, mida astronoomid saavad tuvastada. Lugedes neid moonutusi ja mõõtes liikumist sadades tuhandetes parvedes, mis on eraldatud kümnete miljonite valgusaastate kaugusel, tegid teadlased kindlaks, kui tugevalt gravitatsioon kosmose suurimaid struktuure tõmbab. Kui modifitseeritud gravitatsiooniteooriad, näiteks MOND, oleksid õiged, näitaksid mõõtmised lamedamat gravitatsioonilangust.

Selle asemel langesid tulemused peaaegu täpselt kokku nii Newtoni kui ka Einsteini teooriatega.

Kuna see ennustus peab paika, ei saa puuduva massi probleemi seletada gravitatsiooni enda muutmisega, mis tugevdab väidet, et nähtamatu komponent – ​​tumeaine – peab pakkuma lisatõmbejõudu.

Tumeaine müsteerium

Tumeaine tegeliku olemuse mõistmine on endiselt üks suurimaid väljakutseid tänapäeva füüsikas.

„See uuring kinnitab tõendeid selle kohta, et universum sisaldab tumeaine komponenti,“ ütleb Gallardo. „Kuid me ei tea ikka veel, millest see komponent koosneb.“

KMB ja suuremate galaktikate uuringute tulevased vaatlused võimaldavad füüsikutel ja astronoomidel gravitatsiooni veelgi täpsemalt testida.

„Nii paljude vastuseta küsimustega on gravitatsioon endiselt üks põnevamaid uurimisvaldkondi. See on loomulikult atraktiivne valdkond,“ muigab Gallardo.

Patricio Gallardo on teadur Pennsylvania ülikooli kunstide ja teaduste kooli astronoomia ja füüsika osakonnas.

Uuringus osales üle 40 teadlase, kes esindasid institutsionaalseid ühendusi mitmest riigist. Sellele uuringule kaasa aidanud üksikuid teadlasi toetasid mitmesugused stipendiumid ja riiklikud rahastamisasutused, sealhulgas Chicago Ülikooli Kavli Kosmoloogilise Füüsika Instituut, Simonsi Stipendiaatide Selts, USA Riiklik Teadusfond (AST-2206088), NASA ROSESi grant 12-EUCLID12-0004, Tšiili Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) Basal projekt FB210003, Lõuna-Aafrika Riiklik Teadusfond ja Kanada Loodusteaduste ja Inseneriteaduste Nõukogu (NSERC) grantide RGPIN-2023-05014 ja DGECR-2023-00180 kaudu. Lisatuge pakkus Suttoni perekonna teaduse, kristluse ja kultuuride õppetool Toronto Ülikooli kunstide ja loodusteaduste teaduskonnas. 

Atacama kosmoloogiateleskoobi (ACT) projekti toetab peamiselt USA riiklik teadusfond toetuste AST-0408698, AST-0965625 ja AST-1440226 kaudu ACT projekti jaoks, samuti PHY-0355328, PHY-0855887 ja PHY-1214379 kaudu. Lisarahastust on pakkunud Princetoni ülikool, Pennsylvania ülikool ja Kanada innovatsioonifondi (CFI) stipendium Briti Columbia ülikoolile. ACT multikroiliste detektorite ja läätsede väljatöötamist toetasid NASA toetused NNX13AE56G ja NNX14AB58G ning detektoriuuringuid Riiklikus Standardite ja Tehnoloogia Instituudis (NIST) toetati NIST-i programmi „Innovatsioonid mõõteteaduses“ kaudu.

Jagage seda artiklit: