Współczesna astrofizyka od dekad zmaga się z ogromną rozbieżnością w “kosmicznej księdze rachunkowej”. Obserwacje wskazują, że gwiazdy na obrzeżach galaktyk oraz same galaktyki wewnątrz ogromnych gromad poruszają się znacznie szybciej, niż wynikałoby to z ilości widzialnej materii. Zgodnie z klasyczną mechaniką, obiekty te powinny zostać wyrzucone w przestrzeń międzygalaktyczną, ponieważ grawitacja pochodząca z gwiazd i pyłu jest zbyt słaba, by utrzymać je w ryzach. Ta zagadka zmusiła naukowców do postawienia fundamentalnego pytania: czy w kosmosie ukrywa się ogromna ilość niewidzialnej ciemnej materii, czy może to nasze wzory na grawitację wymagają poprawki?
Patricio A. Gallardo z Uniwersytetu Pensylwanii wyjaśnia, że stajemy przed radykalnym wyborem. Albo wszechświat jest wypełniony masywną, niewidoczną substancją, która generuje dodatkowe przyciąganie, albo fundamentalne równania grawitacji – sformułowane przez Newtona w XVII wieku i udoskonalone przez Einsteina w XX wieku – po prostu nie działają w skali makro. Przez lata wielu naukowców skłaniało się ku teorii Zmodyfikowanej Dynamiki Newtonowskiej (MOND), która zakładała, że przy bardzo małych przyspieszeniach grawitacja zachowuje się inaczej, niż przewiduje to fizyka klasyczna.
Atacama Cosmology Telescope: Spojrzenie w głąb czasu
Aby rozstrzygnąć ten spór, badacze wykorzystali dane z Atacama Cosmology Telescope (ACT), gigantycznego instrumentu umieszczonego wysoko w chilijskich Andach. Kluczem do sukcesu okazało się mikrofalowe promieniowanie tła (CMB), czyli najstarsze światło we wszechświecie, wyemitowane zaledwie 380 000 lat po Wielkim Wybuchu. Podróżując przez miliardy lat, światło to przechodzi przez ogromne gromady galaktyk, ulegając subtelnym zniekształceniom pod wpływem ich ruchu i masy. Zjawisko to pozwala naukowcom zmierzyć, jak silnie grawitacja oddziałuje na największe struktury w kosmosie.
Czytaj także: Grawitacja poprawia Einsteina. A razem z nią zmienia się opowieść o początku wszystkiego
Analizując ruch setek tysięcy gromad galaktyk oddalonych od siebie o dziesiątki milionów lat świetlnych, zespół Gallardo przeprowadził najszerszy w historii test działania grawitacji. Gdyby teorie takie jak MOND były prawdziwe, dane powinny wykazać, że siła grawitacji słabnie wolniej wraz z odległością. Jednak wyniki okazały się jednoznaczne: grawitacja słabnie proporcjonalnie do kwadratu odległości, dokładnie tak, jak przewiduje to prawo powszechnego ciążenia Newtona i ogólna teoria względności Einsteina.
Triumf klasycznej fizyki i zagadka ciemnej materii
To odkrycie ma fundamentalne znaczenie dla naszego modelu wszechświata. Potwierdzenie, że grawitacja zachowuje się przewidywalnie w tak ogromnych skalach, wzmacnia filary standardowego modelu kosmologicznego. Jest to również potężny cios dla alternatywnych teorii grawitacji. Jeśli bowiem prawa fizyki nie ulegają zmianie na obrzeżach galaktyk, to jedynym logicznym wyjaśnieniem nadmiarowej prędkości gwiazd pozostaje obecność ciemnej materii. Dane z Atakamy niemal całkowicie zamykają drzwi dla prób modyfikacji równań grawitacyjnych jako sposobu na wyjaśnienie brakującej masy wszechświata.
Czytaj także: Grawitacja kwantowa coraz bliżej. Nowy eksperyment przybliżył nas do teorii wszystkiego
“To niezwykłe, że prawo odwrotnych kwadratów, zaproponowane w XVII wieku, wciąż trzyma się mocno w XXI wieku, mimo testowania go na masach i odległościach, które dla Newtona byłyby niewyobrażalne” – zauważa Gallardo. Choć wynik ten upraszcza nasze spojrzenie na grawitację, jednocześnie stawia przed nami jeszcze trudniejsze zadanie. Skoro wiemy już niemal na pewno, że ciemna materia istnieje, musimy teraz odpowiedzieć na pytanie, z czego właściwie się składa. Nadal nie potrafimy jej wykryć bezpośrednio, mimo że – jak potwierdzają badania ACT – to ona trzyma wszechświat w całości.
Przyszłość badań kosmologicznych
Choć najnowsze badania stanowią kamień milowy, naukowcy nie zamierzają na tym poprzestać. Przyszłe obserwacje mikrofalowego promieniowania tła oraz jeszcze większe przeglądy galaktyk pozwolą na testowanie grawitacji z precyzją, o jakiej do niedawna mogliśmy tylko marzyć. Każdy kolejny zestaw danych przybliża nas do zrozumienia, jak narodził się wszechświat i dokąd zmierza. Grawitacja, mimo swojej pozornej prostoty, pozostaje jednym z najbardziej atrakcyjnych pól badawczych, łączącym największe struktury kosmosu z najgłębszymi sekretami fizyki cząstek elementarnych. Jak podsumowuje Gallardo, z tak wieloma niewiadomymi przed nami, kosmologia pozostaje dziedziną “naturalnie przyciągającą” – zarówno w przenośni, jak i dosłownie.
