300 let starý Newtonův zákon prošel největším kosmickým testem

Studiem galaktických kup vzdálených od sebe stovky milionů světelných let fyzik z Pensylvánské univerzity Patricio Gallardo a jeho spolupracovníci ukazují, že zákony gravitace popsané Newtonem a Einsteinem stále platí, což poskytuje silný důkaz o existenci neviditelné temné hmoty.

Gravitace se v každodenním životě může zdát jednoduchá. Upusťte jablko a ono spadne na zem. V kosmickém měřítku se však gravitace stává jedním z největších zátěžových testů vědy. Řídí vznik galaxií, chování kup galaxií a celkovou architekturu vesmíru, přesto některé pohyby vesmíru stále nesedí.

Tento dlouhodobý nesoulad je to, co vedlo kosmologa z Pensylvánské univerzity Patricia A. Gallarda a jeho spolupracovníky k položení základní, ale hluboké otázky: Co když se samotná gravitace chová ve vesmíru odlišně na těch největších vzdálenostech?

„Astrofyziku sužuje masivní nesrovnalost v kosmické knize,“ říká Gallardo. „Když se podíváme na to, jak hvězdy obíhají v galaxiích nebo jak se galaxie pohybují v kupách galaxií, některé se zdají být příliš rychlé na množství viditelné hmoty, které obsahují.“

Tato nesrovnalost vede ke dvěma možným vysvětlením. Buď je přítomno velké množství neviditelné „temné hmoty“, která přidává svůj gravitační vliv, nebo „je třeba upravit základní rovnice pro gravitaci“.

Nyní, s využitím dat z Atacama Cosmology Telescope (ACT), zhruba tří až čtyřpatrového přístroje vyvinutého převážně výzkumníky z Pennsylvánské univerzity pod vedením Marka Devlina, Gallardo a jeho spolupracovníci provedli test gravitace v nebývalém měřítku. Zkoumali kupy galaxií oddělené od sebe stovkami milionů světelných let, což z něj činí dosud nejrozsáhlejší test gravitace.

Jejich výsledky, publikované v časopise Physical Review Letters, ukazují, že gravitační síla klesá se vzdáleností v souladu s Newtonovými předpověďmi, které byly později začleněny do Einsteinovy obecné teorie relativity.

„Je pozoruhodné, že zákon inverze čtverců – navržený Newtonem v 17. století a poté začleněný do Einsteinovy obecné teorie relativity – si stále drží svou pozici i v 21. století,“ říká Gallardo.

Tato zjištění posilují ústřední princip moderní kosmologie. Potvrzují, že gravitace se chová očekávaně i napříč obrovskými vzdálenostmi mezi kupami galaxií, a tím posilují standardní kosmologický model. Zároveň zpochybňují alternativní myšlenky, jako je modifikovaná Newtonova dynamika (MOND), které se pokoušejí vysvětlit kosmické chování změnou zákonů gravitace.

Když Newton poprvé popsal inverzní vztah pro gravitaci, zaměřil se na pohyby v rámci Sluneční soustavy. Dnes byl stejný princip testován napříč vzdálenostmi a hmotnostmi, které byly „v Newtonově době nepředstavitelné,“ říká Gallardo.

Pochopení „rychlostních limitů“ vesmíru
Galaxie, kterých je více než 200 miliard, se nechovají podle očekávání, pokud se bere v úvahu pouze viditelná hmota.

Na základě Newtonovy fyziky by hvězdy umístěné dále od středu galaxie měly obíhat pomaleji. Pozorování naopak ukazují, že se tyto vnější oblasti pohybují rychleji, než se předpokládalo. Podobný vzorec se objevuje i v kupách galaxií, kde se celé galaxie pohybují rychlostmi, které nelze vysvětlit hmotností, kterou můžeme pozorovat.

„To je ústřední hádanka,“ vysvětluje Gallardo. „Buď se gravitace chová odlišně ve velmi velkých měřítcích, nebo vesmír obsahuje další hmotu, kterou nemůžeme přímo vidět.“

Testování gravitace napříč vesmírem
K prozkoumání této otázky vědci použili data z dalekohledu ACT, který sleduje světlo vyzářené asi 380 000 let po Velkém třesku, známé jako kosmické mikrovlnné pozadí (CMB).

Jak toto starodávné světlo prochází kupami galaxií, jeho dráha je jemně ovlivněna jejich pohybem a zanechává detekovatelné stopy. Analýzou těchto účinků napříč stovkami tisíc kup rozprostřených po desítkách milionů světelných let byli vědci schopni určit, jak gravitace působí na největší známé struktury. Pokud by byly alternativní teorie, jako je MOND, správné, vzorec gravitačního působení by se lišil od zavedených předpovědí. Měření naopak přesně odpovídala očekáváním Newtonových i Einsteinových teorií.

Protože se gravitace chová podle předpovědi, problém chybějící hmotnosti nelze vysvětlit měnícími se gravitačními zákony. To posiluje argument, že za dodatečné gravitační účinky je zodpovědná neviditelná forma hmoty, tedy temná hmota (neboli skrytá hmota).

Záhada temné hmoty
Určení skutečné podstaty temné hmoty zůstává jednou z nejvýznamnějších otevřených otázek současné fyziky. „Tato studie posiluje důkazy o tom, že vesmír obsahuje složku temné hmoty,“ říká Gallardo. „Stále ale nevíme, z čeho se tato složka skládá.“

Očekává se, že budoucí pozorování kosmického mikrovlnného pozadí a rozšířené průzkumy galaxií poskytnou ještě přesnější testy gravitace.

„S tolika nezodpovězenými otázkami zůstává gravitace jednou z nejvíce fascinujících oblastí výzkumu. Je to přirozeně atraktivní obor,“ dodává Gallardo.

Zdroj: https://scitechdaily.com/newtons-300-year-old-law-passes-its-biggest-cosmic-test-yet/

autor: František Martinek