Newton potwierdzony w kosmosie. Teoria grawitacji obejmuje gromady galaktyk

Prawo powszechnego ciążenia, sformułowane przez Isaaca Newtona na drodze obserwacji empirycznych i rozumowania indukcyjnego, stanowi fundament współczesnej fizyki jako tzw. "pierwsza wielka unifikacja". Zasada, opublikowana po raz pierwszy w 1687 r., zakłada, że każda cząstka we wszechświecie przyciąga każdą inną z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między ich środkami.

"Prawo" to było udowadniane wielokrotnie zarówno w skali laboratoryjnej, na obiektach w odległościach zaledwie kilkunastu centymetrów, jak też w skali astronomicznej, w której służy do wyjaśnienia orbit planet i księżyców w Układzie Słonecznym. Mowa tu o dystansach rzędu miliardów kilometrów. I choć w tej skali precyzja teorii Newtona jest niezwykle wysoka, to przy bardzo silnych polach grawitacyjnych (w pobliżu Słońca) wymaga ono uzupełnienia o poprawki wynikające z ogólnej teorii względności Einsteina.

Najnowsze badanie sięga jeszcze dalej, przenosząc obserwacje na skalę kosmologiczną, gdzie odległości między obiektami - gromadami galaktyk - sięgają od 80 do 800 milionów lat świetlnych. To największa skala, w jakiej kiedykolwiek bezpośrednio przetestowano zależność siły grawitacji od odległości.

Skuteczność teorii Newtona w skali ziemskiej i wewnątrz poszczególnych galaktyk jest powszechnie znana. Do niedawna jednak nie było jednoznacznych dowodów na to, czy obowiązuje także w większych skalach. "Wiemy, że sprawdza się ona niezwykle dobrze na Ziemi i w poszczególnych galaktykach. Oni testują ją w skalach kosmologicznych" - skomentował Priyamvada Natarajan, astrofizyk z Uniwersytetu Yale.

Choć zgodność teorii z obserwacjami w różnych skalach nie jest dla naukowców zaskoczeniem, to znacząco osłabia ona konkurencyjną teorię zmodyfikowanej dynamiki newtonowskiej (ang. Modified Newtonian Dynamics - MOND), która próbuje wyjaśnić ruch gwiazd bez udziału ciemnej materii poprzez modyfikację efektów grawitacyjnych.

Badania zespołu z Atacama Cosmology Telescope (ACT) w Chile skupiły się na niewyobrażalnie ogromnych strukturach. Patricio Gallardo, główny autor badania z Uniwersytetu Pensylwanii, wyjaśnia, że "gromady galaktyk to dosłownie największe struktury we wszechświecie". Każda z nich może ważyć biliardy razy więcej niż Słońce i rozciągać się na dziesiątki milionów lat świetlnych. Wiadomo jednak, że można pójść jeszcze dalej. Większymi strukturami są nadgromady galaktyk, supergromady, a także włókna galaktyczne i wielkie ściany. Są to długie pasma galaktyk i ciemnej materii, które otaczają gigantyczne puste przestrzenie. Rozciągają się one na odległościach od 500 milionów do nawet 10 miliardów lat świetlnych.

Prawdopodobnie największą strukturą we wszechświecie jest kosmiczna sieć. Stanowi ona całokształt rozmieszczenia materii w przestrzeni, tworząc gigantyczną, trójwymiarową strukturę przypominającą pajęczynę lub gąbkę.

Metodologia tych badań opierała się na analizie statystycznej położeń i prędkości setek tysięcy gromad. Założono, że podobnie jak planety bliższe Słońcu poruszają się szybciej, tak dwie blisko położone gromady będą poruszać się szybciej względem siebie. Wyzwanie polegało jednak na tym, że prędkość ta wynika nie tylko z wzajemnego przyciągania pary obiektów, ale także z wpływu wszystkich okolicznych struktur. Aby to uwzględnić, badacze wykorzystali mapy z przeglądu nieba Sloan Digital Sky Survey i zastosowali uogólnione prawo siły z regulowanymi parametrami, przewidując zależności prędkości od odległości.

W dostarczeniu jasnych dowodów pomogły dane z teleskopu ACT, który specjalizuje się w wykrywaniu gromad galaktyk poprzez analizę mikrofalowego promieniowania tła (CMB). Wykorzystano kinematyczny efekt Siuniajewa-Zeldowicza (kSZ), polegający na tym, że fotony tła zyskują lub tracą energię, zderzając się z elektronami w poruszającej się gromadzie. Natarajan określa te pomiary mianem "klejnotu w koronie" tej obserwacji. Właśnie to pozwoliło na bezpośrednie określenie prędkości obiektów.

Aby wyeliminować wpływ rozszerzania się wszechświata i ciemnej energii, naukowcy skupili się na "migawce" z czasu kosmicznego sprzed 5,6 do 7,7 miliarda lat. Zmierzono akceleracje rzędu zaledwie 10 femtometrów na sekundę do kwadratu, co stanowi jedną kwadrylionową grawitacji ziemskiej. Na dystansach 80-800 milionów lat świetlnych przyspieszenie grawitacyjne zmieniało się jako odwrotność odległości do potęgi 2,1 (z marginesem błędu 0,3), co precyzyjnie potwierdza założenia Newtona w rozszerzającym się wszechświecie.

Taki wynik nie tylko cementuje standardowy model kosmologiczny ΛCDM, ale również jest bezpośrednim ciosem w teorię MOND, która sugeruje, że przy ekstremalnie niskich przyspieszeniach grawitacja powinna zmieniać się proporcjonalnie do odwrotności samej odległości, a nie jej kwadratu.

Co dalej? Zdaniem autorów badania wykorzystany przez nich efekt kSZ posiada duży potencjał do pomiaru prędkości obiektów astronomicznych i w przyszłości może służyć jako narzędzie badania ciemnej energii oraz historii ekspansji wszechświata, a jej znaczenie wzrośnie wraz z danymi z Simons Observatory - następcy teleskopu ACT. Ta nowa sieć teleskopów mikrofalowych rozpoczęła już pracę, zwiastując jeszcze wyższą precyzję pomiarów, co według naukowców pozwoli na znacznie szersze zastosowanie tej techniki w przyszłych odkryciach.

Źródła:

1. P. A. Gallardo, K. Pardo, O. H. E. Philcox, N. Battaglia, E. S. Battistelli, R. Bean, E. Calabrese, S. K. Choi, M. Devlin et al. Test of the Gravitational Force Law on Cosmological Scales Using the Kinematic Sunyaev-Zeldovich Effect. Phys. Rev. Lett. 136, 151002 (2026). DOI: 10.1103/rk8v-rcm3
2. A. Cho. Newton's law of gravity passes its biggest test ever. Science (2026). DOI: 10.1126/science.zh4034n