|
Гравитация подчиняется законам Ньютона и Эйнштейна
|
|
|
|
Гравитация, как ее понимает большинство людей, - это знакомая сила, которая притягивает падающее яблоко к Земле. Но для астрономов и физиков-теоретиков он также является раздражающим невидимым архитектором, который определяет форму и эволюцию крупнейших космических структур во Вселенной.
|
|
|
|
На протяжении десятилетий загадочные наблюдения за необычно быстро движущимися галактиками заставляли космологов, таких как Патрисио А. Гальярдо из Пенсильванского университета, пересмотреть основы физики, исследуя, например, действительно ли законы всемирного тяготения, описанные Исааком Ньютоном и Альбертом Эйнштейном, применимы везде.
|
|
|
|
"Астрофизики столкнулись с огромным несоответствием в космической статистике", - говорит Гальярдо. "Когда мы смотрим на то, как звезды вращаются внутри галактик или как галактики движутся внутри скоплений галактик, некоторые из них движутся слишком быстро для того количества видимого вещества, которое они содержат".
|
|
|
|
Это несоответствие заставляет сделать выбор между двумя радикальными выводами, объясняет он. Либо Вселенная содержит скопления массивной невидимой "темной материи", которые обеспечивают дополнительное гравитационное притяжение, либо "фундаментальные уравнения гравитации должны быть изменены".
|
|
|
|
|
|
|
Теперь, используя наблюдения с космологического телескопа Атакама (ACT), телескопа высотой примерно в три-четыре этажа, разработанного в основном исследователями из Пенсильванского университета во главе с Марком Девлином, Галлардо и его сотрудниками, они протестировали гравитацию в скоплениях галактик, разделенных сотнями миллионов световых лет, - это самый масштабный гравитационный зонд на сегодняшний день.
|
|
|
|
Их результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, показывают, что сила притяжения ослабевает с увеличением расстояния почти в точности так, как предсказывают уравнения, разработанные Ньютоном и позже включенные в общую теорию относительности Эйнштейна.
|
|
|
|
"Примечательно, что закон обратных квадратов, предложенный Ньютоном в 17 веке и затем включенный в общую теорию относительности Эйнштейна, все еще сохраняет свою силу в 21 веке", — говорит Гальярдо.
|
|
|
|
Подтверждение того, что гравитация ведет себя так, как предсказывает общепринятая теория, на огромных внегалактических расстояниях укрепляет фундаментальную основу современной науки, объясняет Гальярдо: стандартную космологическую модель. Демонстрируя, что фундаментальные теории гравитации не разрушаются в самых больших масштабах, эти данные фактически закрывают дверь для группы теорий, таких как модифицированная ньютоновская динамика (MOND), которые пытаются объяснить космические движения путем модификации законов тяготения.
|
|
|
|
Когда Ньютон предложил соотношение обратных квадратов, которое гласит, что гравитация ослабевает пропорционально квадрату расстояния между объектами, он в первую очередь занимался описанием движений объектов в Солнечной системе. Этот же принцип теперь был протестирован на массах и расстояниях, которые были "немыслимы во времена Ньютона", говорит Гальярдо.
|
|
|
|
Понимание "пределов скорости" Вселенной
|
|
|
|
Галактики во Вселенной, которых насчитывается более 200 миллиардов, движутся не так, как того требует гравитация.
|
|
|
|
Следуя ньютоновской логике, звезды, расположенные дальше от центра галактики, должны вращаться медленнее. Вместо этого астрономы видят обратное. Отдаленные области движутся намного быстрее, чем может объяснить видимая материя. Такое же несоответствие наблюдается в скоплениях галактик, где целые галактики движутся слишком быстро для своей массы.
|
|
|
|
"Это главная загадка", - объясняет Гальярдо. "Либо гравитация ведет себя по-другому в очень больших масштабах, либо Вселенная содержит дополнительную материю, которую мы не можем непосредственно увидеть".
|
|
|
|
Тестирование гравитации в космосе
|
|
|
|
Чтобы проверить это, исследователи обратились к наблюдениям ACT за светом, испускаемым примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, который с тех пор путешествует по Вселенной, известный как космический микроволновый фон.
|
|
|
|
Когда этот древний свет проходит через массивные скопления галактик, он слегка изменяется в зависимости от их движения, оставляя слабые отпечатки, которые могут обнаружить астрономы. Считывая эти искажения и измеряя эти движения в сотнях тысяч скоплений, разделенных десятками миллионов световых лет, исследователи определили, насколько сильно гравитация воздействует на крупнейшие структуры в космосе. Если бы модифицированные теории гравитации, такие как MOND, были верны, измерения показали бы более пологий гравитационный спад.
|
|
|
|
Вместо этого результаты оказались почти точными в соответствии с теориями Ньютона и Эйнштейна.
|
|
|
|
Поскольку это предсказание верно, проблема недостающей массы не может быть объяснена изменением силы тяжести как таковой, что подтверждает предположение о том, что невидимый компонент — темная материя — должен обеспечивать дополнительное притяжение.
|
|
Тайна темной материи
|
|
|
|
Понимание того, что на самом деле представляет собой темная материя, остается одной из самых сложных задач в современной физике.
|
|
|
|
"Это исследование подтверждает доказательства того, что Вселенная содержит компонент темной материи", - говорит Гальярдо. "Но мы все еще не знаем, из чего состоит этот компонент".
|
|
|
|
Будущие наблюдения за реликтовым излучением и исследования более крупных галактик позволят физикам и астрономам еще точнее проверить гравитацию.
|
|
|
|
"При таком количестве вопросов, на которые нет ответов, гравитация остается одной из самых увлекательных областей исследований. Это естественно привлекательная область", - смеется Гальярдо.
|
|
|
|
Источник
|
