Gravitační zákon Isaaca Newtona obstál v největším testu: Posiluje důkazy pro temnou hmotu

Pohyb galaktických kup ve vzdáleném vesmíru poskytl dosud nejrozsáhlejší test gravitačních zákonů. Na škálách, které se rozprostírají přes stovky milionů světelných let, se gravitace stále chová tak, jak předpověděl Isaac Newton ve svém univerzálním gravitačním zákoně.

Pohyb galaktických kup ve vzdáleném vesmíru poskytl dosud nejrozsáhlejší test gravitačních zákonů. Na škálách, které se rozprostírají přes stovky milionů světelných let, se gravitace stále chová tak, jak předpověděl Isaac Newton ve svém univerzálním gravitačním zákoně. Tento zákon říká, že každá částice ve vesmíru vyvíjí gravitační sílu na jiné částice úměrnou jejich hmotnosti a nepřímo úměrnou druhé mocnině vzdálenosti mezi středy hmotností obou částic.

Pozorování tohoto jevu v galaktických kupách miliardy světelných let daleko posiluje naše současné chápání gravitace a zároveň upevňuje argumenty pro záhadný teoretický zdroj nevysvětlitelné gravitační přitažlivosti, známý jako temná hmota. Když se díváme do vesmíru, objevuje se zvláštní nesrovnalost: na základě soupisu veškeré normální, baryonové hmoty – tedy té, z níž je tvořeno vše, co vidíme, včetně hvězd, galaxií, černých děr, planet, prachu a nás samotných – a našeho chápání toho, jak se tato hmota chová, se věci nepohybují tak, jak by měly. Galaxie rotují příliš rychle, světlo putující vesmírem sleduje gravitační zakřivení časoprostoru, které je příliš výrazné jen pro samotnou baryonovou hmotu. Galaktické kupy, které by se měly rozletět, jsou naopak pevně svázány. Drobné vlnky v kosmickém mikrovlnném pozadí dávají smysl pouze tehdy, pokud je většina hmoty ve vesmíru neviditelná.

Existují dvě hlavní vysvětlení těchto nesrovnalostí. Jedním z nich je temná hmota – něco, co nemůžeme přímo detekovat a co interaguje s baryonovým vesmírem pouze prostřednictvím gravitace. Na základě měření výše zmíněných jevů tvoří temná hmota zhruba 85 procent veškeré hmoty ve vesmíru. Druhým vysvětlením je, že v našich definicích gravitace, poprvé představených Newtonem a poté upřesněných Albertem Einsteinem, něco chybí. Kosmolog Patricio Gallardo z University of Pennsylvania uvádí, že to je ústřední hádanka: buď se gravitace chová jinak na velmi velkých škálách, nebo vesmír obsahuje dodatečnou hmotu, kterou nemůžeme přímo vidět. Gallardo a jeho kolegové zvolili druhou možnost a měřili rychlosti vzdálených galaktických kup v objemu prostoru vzdáleném přibližně 5 až 7 miliard světelných let. Tento vzorek obsahuje asi 686 000 galaxií, z nichž mnohé jsou gravitačně svázány v kupách pohybujících se k sobě.

K měření rychlostí těchto kup použili vědci takzvaný kinematický Sunyaev-Zeldovičův efekt. První světlo, které se volně šířilo vesmírem, je dnes všude kolem nás – to je kosmické mikrovlnné pozadí (CMB). Na cestě k nám světlo z CMB často prochází obrovskými oblaky horkého plynu, které obklopují galaktické kupy. Pokud se kupa nepohybuje, světlo se šíří přímočaře; pokud se však kupa pohybuje, fotony CMB se rozptýlí na volných elektronech, což mírně posune signál CMB. Měřením rozsahu tohoto posunu mohou vědci určit, jak rychle se kupa pohybovala, když jí procházelo světlo. Rychlosti, jimiž se dvě kupy řítí k sobě, pak lze použít k prozkoumání zúčastněných hmotností a chování gravitačních sil. Pokud by byla nutná modifikace našich teorií gravitace, gravitační síly by byly silnější na velké vzdálenosti od zúčastněných hmot; to znamená, že by s rostoucí vzdáleností slábly pomaleji. Vědci však pozorovali, že gravitační přitažlivost mezi kupami slábla rychle s větší vzdáleností – v souladu s teoriemi Newtona a Einsteina.