Нове дослідження підкріплює докази існування темної матерії

Спостерігаючи за скупченнями галактик, віддаленими одне від одного на сотні мільйонів світлових років, астрофізики з’ясували, що закони гравітації, сформульовані Ньютоном та Ейнштейном, залишаються чинними, що практично не залишає сумнівів у існуванні невидимої темної матерії.

Про це повідомляють у Пенсильванському університеті, передають OstanniPodii.com.

Гравітація, як її розуміє більшість людей, — це та знайома сила, яка притягує до Землі яблуко, що падає. Але для астрономів і фізиків-теоретиків це також загадковий невидимий архітектор, який визначає форму та еволюцію найбільших космічних структур у всьому Всесвіті.

Протягом десятиліть загадкові спостереження за надзвичайно швидко рухомими галактиками змушували космологів переглянути основи фізики, досліджуючи, наприклад, чи закони гравітації, описані Ісааком Ньютоном та Альбертом Ейнштейном, справді діють всюди.

«Астрофізика страждає від величезної невідповідності в космічному балансі», — каже провідний автор нового дослідження Патрісіо Галлардо з Пенсильванського університету.

«Коли ми дивимося на те, як зорі обертаються в галактиках або як галактики рухаються в галактичних скупченнях, деякі з них, здається, рухаються надто швидко, зважаючи на кількість видимої матерії, яку вони містять».

Ця невідповідність змушує обирати між двома радикальними висновками, пояснює він. Або Всесвіт містить скупчення масивної невидимої «темної матерії», яка забезпечує додаткову гравітаційну силу, або «основні рівняння гравітації потрібно модифікувати».

Тепер, використовуючи спостереження з Атакамського космологічного телескопа (ACT) — телескопа висотою приблизно в три-чотири поверхи, Галлардо та його колеги перевірили гравітацію у галактичних скупченнях, віддалених одне від одного на сотні мільйонів світлових років — це наймасштабніше дослідження гравітації на сьогодні.

Результати їхнього дослідження, опубліковані в журналі «Physical Review Letters», показують, що сила тяжіння слабшає з відстанню майже точно так, як це передбачають рівняння, розроблені Ньютоном і згодом включені до теорії загальної відносності Ейнштейна.

«Вражає те, що закон оберненої квадратичної залежності — запропонований Ньютоном у XVII столітті, а потім включений до теорії загальної відносності Ейнштейна — і досі залишається актуальним у XXI столітті», — зазначає Галлардо.

Підтвердження того, що гравітація поводиться так, як передбачено усталеною теорією, на величезних позагалактичних відстанях, підкріплює фундаментальний стовп сучасної науки, пояснює Галлардо: стандартну модель космології. Показавши, що фундаментальні теорії гравітації не руйнуються на найбільших масштабах, дані фактично закривають двері для групи теорій, таких як модифікована ньютонівська динаміка (MOND), які намагаються пояснити космічні рухи шляхом модифікації законів гравітації.

Коли Ньютон запропонував закон оберненої квадратичної залежності, який стверджує, що сила тяжіння слабшає пропорційно до квадрата відстані між об’єктами, він передусім прагнув описати рухи об’єктів у Сонячній системі. Цей самий принцип тепер перевірено на масах і відстанях, які були «немислимими за часів Ньютона», — каже Галлардо.

Розуміння «обмежень швидкості» Всесвіту

Галактики Всесвіту — яких налічується понад 200 мільярдів — не рухаються так, як це передбачає сама лише гравітація.

Згідно з ньютонівською логікою, зорі, що знаходяться далі від центру галактики, повинні обертатися повільніше. Натомість астрономи спостерігають протилежне. Найвіддаленіші області рухаються набагато швидше, ніж це можна пояснити видимою матерією. Така ж невідповідність спостерігається у скупченнях галактик, де цілі галактики рухаються занадто швидко, як для їхньої маси.

«Ось у чому полягає головна загадка, — пояснює Галлардо. — Або гравітація поводиться інакше у дуже великих масштабах, або Всесвіт містить додаткову матерію, яку ми не можемо побачити безпосередньо».

Перевірка гравітації у космосі

Щоб перевірити це, дослідники звернулися до спостережень телескопа ACT за світлом, випроміненим приблизно через 380 000 років після Великого вибуху, яке з того часу подорожує Всесвітом і відоме як космічне мікрохвильове фонове випромінювання.

Коли це древнє світло проходить крізь масивні скупчення галактик, воно дещо змінюється під впливом їхнього руху, залишаючи слабкі сліди, які астрономи можуть виявити. Аналізуючи ці спотворення та вимірюючи ці рухи у сотнях тисяч скупчень, віддалених один від одного на десятки мільйонів світлових років, дослідники визначили, з якою силою гравітація впливає на найбільші структури у космосі. Якби модифіковані теорії гравітації, такі як MOND, були правильними, вимірювання показали б більш плавне зменшення гравітації.

Натомість результати майже точно збіглися з теоріями Ньютона та Ейнштейна.

Дослідники зазначають: оскільки це передбачення справджується, проблему нестачі маси не можна пояснити зміною самої гравітації, що підкріплює гіпотезу про те, що додаткову силу тяжіння надає невидима складова — темна матерія.

Загадка темної матерії

Розуміння того, що насправді є темна матерія, залишається одним з найбільших викликів сучасної фізики.

«Це дослідження підкріплює докази того, що Всесвіт містить компонент темної матерії», — каже Галлардо. «Але ми досі не знаємо, з чого складається цей компонент».

Майбутні спостереження за реліктовим випромінюванням та масштабніші огляди галактик дозволять фізикам та астрономам перевіряти гравітацію ще точніше.

«З такою кількістю невирішених питань гравітація залишається однією з найцікавіших областей досліджень. Це природно приваблива сфера», — посміхається Галлардо.

Загалом у цьому дослідженні взяли участь понад 40 вчених, які представляють наукові установи з різних країн.