Закон всемирного тяготения Ньютона выдержал самое серьёзное испытание

Спустя более трёхсот лет после формулировки закона гравитации Исааком Ньютоном космологи подтвердили его действие на предельных масштабах Вселенной. Если ранее закон обратных квадратов проверяли в лабораториях и в пределах Солнечной системы, то теперь, как указано в публикации Physical Review Letters, его применили к скоплениям галактик, разделённым сотнями миллионов световых лет.

Астрофизик Приямвада Натараджан отмечает, что теория давно показывает точность на Земле и в отдельных галактиках, а теперь её проверяют в космологических масштабах. Полученные результаты не стали неожиданностью, однако усилили давление на альтернативную концепцию — модифицированную ньютоновскую динамику (MOND), которая объясняет эффекты, связанные с тёмной материей.

Согласно закону Ньютона, сила притяжения между двумя телами уменьшается пропорционально квадрату расстояния между ними. Эта формула, опубликованная в 1687 году в «Математических принципах», позволила объяснить орбиты планет, описанные ранее законами Иоганна Кеплера. Позже Генри Кавендиш подтвердил её экспериментально, используя установку с подвешенной гантелью и фиксируя изменения силы притяжения при разных расстояниях. Современные физики продолжают подобные эксперименты, пытаясь обнаружить возможные отклонения.

В новом исследовании учёные использовали Атакамский космологический телескоп (ACT) в Чили, чтобы проверить гравитацию на крупнейших структурах. Как поясняет Патрисио Гальярдо из Университета Пенсильвании, скопления галактик являются самыми массивными объектами: каждое включает сотни галактик, связанных гравитацией, может превышать массу Солнца в квадриллион раз и растягиваться на десятки миллионов световых лет.

Учёные проанализировали взаимодействие сотен тысяч таких скоплений, сопоставив данные об их расположении и скоростях. По словам Криса Пардо из Университета Южной Калифорнии, более близкие друг к другу объекты движутся быстрее, аналогично планетам вблизи Солнца. Зависимость скорости от расстояния позволяет судить о характере гравитации.

При этом учитывалось влияние окружающих скоплений, так как движение определяется не только взаимным притяжением пары объектов. Для расчётов использовали данные Слоановского цифрового обзора неба (Sloan Digital Sky Survey), где с 2000 года зафиксированы миллионы галактик. На основе распределения применили обобщённый закон силы с настраиваемыми параметрами, чтобы спрогнозировать скорости.

Далее результаты сопоставили с измерениями ACT за 2007–2022 годы. Телескоп регистрировал космическое микроволновое фоновое излучение — послесвечение Большого взрыва — и выявлял скопления галактик. Фотоны, проходя через такие структуры, взаимодействуют с электронами, изменяя энергию в зависимости от движения скопления относительно Земли. Это явление известно как кинематический эффект Суняева—Зельдовича и позволяет определять скорости.

Чтобы исключить влияние расширения Вселенной и тёмной энергии, исследование ограничили скоплениями на расстоянии 5,6–7,7 млрд световых лет. Анализ касался ускорений порядка 10 фемтометров в секунду в квадрате, что в квадриллион раз меньше земного притяжения. На дистанциях от 80 до 800 млн световых лет зависимость силы от расстояния соответствовала степени около 2,1 с погрешностью 0,3, что подтверждает закон Ньютона.

Эти данные противоречат ожиданиям теории MOND, предложенной в 1980-х годах. Она модифицирует второй закон Ньютона при малых ускорениях и предполагает иную зависимость гравитации от расстояния. По словам Гальярдо, модель и ранее испытывала трудности при описании эволюции Вселенной, а новые результаты усугубляют ситуацию.

Кроме того, работа показала потенциал метода измерения скоростей через эффект kSZ, отмечает Пардо. Новый инструмент — обсерватория Саймонса, пришедшая на смену ACT, уже начала сбор данных и позволит точнее изучать тёмную энергию и историю расширения Вселенной.

Читать далее →