Več kot tri stoletja po tem, ko je Isaac Newton oblikoval svoj gravitacijski zakon, so ga kozmologi s pomočjo največjih objektov v vesolju tudi potrdili. Newtonov slavni obratni kvadratni zakon so v laboratorijskih poskusih in znotraj Osončja potrdili že zdavnaj. Nova, v reviji Physical Review Letters objavljena študija pa ga razširja na največje možne razsežnosti: na jate galaksij, ki so med seboj oddaljene več sto milijonov svetlobnih let.
»Vemo, da zakon neverjetno natančno velja na Zemlji in znotraj posameznih galaksij. Zdaj ga preizkušamo tudi v kozmoloških razsežnostih,« pravi Priyamvada Natarajan, astrofizičarka z Yala. Rezultat ni presenetljiv, nadaljuje strokovnjakinja, a zožuje možnosti za alternativno teorijo, spremenjeno newtonsko dinamiko (MOND), ki namesto temne snovi z učinki gravitacije skuša pojasniti, kaj drži galaksije skupaj.
Po Newtonovem zakonu je gravitacijska sila med dvema masivnima objektoma obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njima. S formulo, objavljeno leta 1687 na straneh Principia Mathematica, je Newton takoj lahko pojasnil tirnice planetov, kakor jih je količinsko opisal Johannes Kepler s svojimi tremi empiričnimi zakoni gibanja planetov. Stoletje pozneje je zakon v laboratorijskih razmerah potrdil tudi Henry Cavendish, in sicer tako, da je na tanko žico obesil majhno utež, druge uteži pa je približal koncema žice. Z merjenjem zvijanja žice je ugotovil, kako se majhna gravitacijska privlačnost med utežmi spreminja z razdaljo med njimi. Fiziki danes izvajajo izpopolnjene različice Cavendishevega poskusa, da bi iskali odstopanja od kvadratnega zakona, ki bi kazala na nove sile z manjšim dosegom.
Raziskovalci čilskega kozmološkega teleskopa Atacama (ACT) so te preiskave razširili na največje možne razsežnosti. »Jate galaksij so dobesedno največje strukture v vesolju,« pravi vodilni avtor študije o rezultatih Patricio Gallardo, sodelavec ACT in kozmolog z Univerze Pensilvanije. Te jate lahko vsebujejo več sto galaksij, ki jih povezuje vzajemna gravitacija. Masa jate je lahko kvadrilijonkrat večja od mase Sonca, razteza pa se lahko na več deset milijonov svetlobnih let.
Raziskovalci so silo preučevali na več sto tisoč jatah, pri čemer so združili ločene statistične meritve njihovega položaja in hitrosti gibanja. Tako kot se planeti, ki so bližje Soncu, gibljejo hitreje, se tudi dve jati, ki sta si bližje, gibljeta hitreje druga glede na drugo, pravi Kris Pardo, soavtorica študije in kozmologinja z Univerze Južne Kalifornije. Torej to, kako se relativna hitrost katerih koli dveh jat spreminja z razdaljo med njima, preizkuša naravo gravitacije.
A vsega tega seveda ni preprosto izmeriti. Razlog je, da relativna hitrost dveh vozlišč ni odvisna le od gravitacijske privlačnosti, ki jo ustvarjata sama, ampak tudi od gravitacije vseh okoliških vozlišč. Da bi upoštevali ta zapleteni dejavnik, so raziskovalci najprej iz podatkov Sloan Digital Sky Survey, ki od leta 2000 kartira več milijonov galaksij, pridobili informacije o prostorski porazdelitvi galaksij. Na to prostorsko porazdelitev so uporabili posplošen zakon sile s prilagodljivimi parametri, da bi napovedali, kako se relativna hitrost parov jat galaksij spreminja z razdaljo.
Raziskovalci so nato napoved primerjali s podatki o hitrostih, ki jih je ACT zabeležil med letoma 2007 in 2022. ACT je meril svetlobo po veliki poku, kozmično mikrovalovno ozadje (CMB), in je bil še posebej dobro orodje za zaznavanje jat galaksij. Ko fotoni CMB prehajajo skozi jato galaksij, trčijo ob elektrone v njej in pridobijo ali izgubijo energijo, odvisno od tega, ali se jata približuje Zemlji ali se oddaljuje od nje (to je kinematični učinek Sunjajeva in Zeldoviča). Pojav olajša zaznavanje jat in daje neposredno sliko o njihovi hitrosti.
Da bi se izognili motečim učinkom širjenja vesolja in temne energije, ki razteza prostor, so se raziskovalci osredotočili na jate, oddaljene od 5,6 do 7,7 milijarde svetlobnih let, in tako posneli trenutni posnetek kozmične preteklosti. Ekipa je lahko preučevala tudi tako majhne pospeške, kot je milijardinka Zemljine gravitacije. Na razdaljah med 80 milijoni in 800 milijoni svetlobnih let pa se je gravitacijska sila obnašala natanko tako, kot opisuje Newtonov gravitacijski zakon.
Tako jasna veljavnost Newtonovega zakona vse bolj postavlja pod vprašaj možnost, da je MOND resničen. Teorija, predlagana v osemdesetih letih kot alternativa temni snovi, ne spreminja Newtonovega gravitacijskega zakona, temveč spreminja Newtonov drugi zakon gibanja – sila je enaka zmnožku mase in pospeška – pri izjemno nizkih pospeških. Če pa bi bil MOND natančen, bi se gravitacija v največjih merilih dejansko spreminjala sorazmerno z razdaljo, ne s kvadratom razdalje. MOND je že doslej težko opisoval razvoj vesolja, novi podatki pa so zanj še en udarec, pravi Gallardo.
Morda je še pomembneje, da študija odlično dokazuje potencial merjenja hitrosti s kinematičnim učinkom Sunjajeva in Zeldoviča, pravi Pardo. Naslednik ACT, Observatorij Simons, sistem mikrovalovnih teleskopov, je že začel zbirati podatke. Ta bo zadevni učinek meril z veliko večjo natančnostjo, kar bo dalo novo orodje za spremljanje temne energije in širjenja vesolja, pravi strokovnjakinja.
