Силите, които оформят начина, по който гравитацията работи във Вселената

Движенията на галактиките на огромни разстояния се връщат назад спрямо стандартната гравитация и представляват сериозен проблем за MOND.

Гравитацията се държи предсказуемо в ежедневието ни. Пускате топка и тя пада. Планетите се въртят около звездите. На хартия същите правила би трябвало да управляват и материята, разпръсната във Вселената. Но колкото по-навътре астрономите гледат, толкова повече тази сигурност се подлага на изпитание.

Този въпрос е в центъра на нов анализ на движението на галактиките в огромни космически мащаби. Работата използва светлина от космическия микровълнов фон, комбинирана с голямо галактично проучване, за да зададе нещо измамно просто: дали гравитацията все още следва познатия закон за обратнопропорционалната зависимост в огромни пространства на космоса?

Засега стандартната картина изглежда се справя добре.

Изследователи като Патрисио Галардо (Patricio Gallardo) от Университета на Пенсилвания са тествали как групите и клъстерите галактики се движат един към друг на разстояния от десетки милиони светлинни години. Резултатите им съвпадат добре с очакванията на стандартния космологичен модел, известен като Lambda-CDM, който комбинира Общата теория на относителността, тъмна материя и тъмна енергия. Конкурентна идея, модифицирана Нютонова динамика или MOND, не съвпада толкова добре с данните.

Патрисио Гаярдо и неговите сътрудници използват кинематичния ефект на Суняев-Зелдович, или kSZ, - малка промяна, която се отпечатва върху космическия микровълнов фон, когато светлината му преминава през горещ газ около движещи се галактически купове, за да измерят колко бързо двойките купове се приближават един към друг и да проверят дали гравитацията отслабва с разстоянието, както предсказва стандартната физика. Кредит: Lucy Reading/Simons Foundation

Измерване, основано на движение, а не само на карти

Космолозите отдавна разчитат на мащабните модели на галактиките и сиянието на ранната Вселена, за да изучават как е еволюирала Вселената. Тези инструменти са мощни. Въпреки това те често приемат, че историята на разширяване на Вселената е вече известна.

Това проучване поема по различен път. Вместо да разглеждат само къде се намират галактическите клъстери, изследователите са разгледали как те се движат един спрямо друг.

Това е важно, защото двойната скорост, средното движение между двойки галактически купове, проследява основното поле на ускорение. Казано по-просто, това е начин да се изследва как гравитацията всъщност привлича материята в пространството.

Екипът използва кинематичния ефект на Суняев-Зелдович, или kSZ ефект, който улавя фини температурни промени в космическия микровълнов фон, причинени от движеща се материя. Те съчетават измервания от космологичния телескоп Атакама, използвайки неговата карта Data Release 6, с информация за клъстерите на галактики от спектроскопското изследване на барионните осцилации на Sloan Digital Sky Survey.

Извадката от галактики е голяма. Анализът на корелационната функция използва около 686 000 галактики в диапазона на червено отместване от 0,44 до 0,66. Пълната kSZ извадка съдържа 343 647 галактики, като 227 837 от тях са в същия този срез с червено отместване.

Космологичният телескоп Атакама измерва най-старата светлина във Вселената, известна като космически микровълнов фон. Използвайки тези измервания, учените могат да изчислят възрастта на Вселената. Кредит: Wikimedia Commons

Какво са тествали изследователите

Съгласно обичайното Нютоново описание на гравитацията, силата отслабва с разстоянието на квадрат. В използваната тук рамка това съответства на индекс на закона за гравитационната сила n = 2.

Законът на Нютон за всеобщото привличане (гравитацията): Всеки две материални тела се привличат взаимно със сила, която е правопропорционална на произведението от масите им (m₁ и m₂) и обратнопропорционална на разстоянието (r) между тях, повдигнато на степен n = 2.Кредит: Wikimedia Commons

Изследователите обобщават това правило, за да видят коя стойност на n най-добре отговаря на наблюдаваните движения. MOND, в границата на големия мащаб, релевантна за тази работа, съответства на n = 1. Ако Вселената предпочиташе нещо по-близко до тази стойност, двойните движения на галактическите клъстери би трябвало да я отразяват.

Те комбинират измерения сигнал за двоен импулс от микровълновия фон с наблюдаваната корелационна функция на галактиките, след което съобразяват моделите с данните по два начина. Първо, фиксират n на гравитационния закон и коригират само общата амплитуда. След това позволяват както амплитудата, така и индексът n на гравитационния закон да се променят.

Резултатите не бяха едва доловими. Случаят с Lambda-CDM, с n = 2, съответства добре на данните. Случаят с MOND, с n = 1, не съответства. На практика стандартният модел описва наблюдаваните движения на клъстерите сравнително добре, докато MOND не улавя добре формата на сигнала.

Когато изследователите позволяват на данните да определят директно n, те откриват n = 2,1 ± 0,3 при 68% доверие. Това означава, че резултатът се различава от стандартната стойност за n = 2 само с 0,4 сигма, но от стойността на MOND за n = 1 с 3,3 сигма. Техният анализ също така ограничава индекса n да бъде по-голям от 1,4 при 95% доверие.

Гравитацията е тествана изключително добре в рамките на Слънчевата система. В космически мащаби директните тестове са по-трудни. Това изследване разширява тази граница, използвайки движенията на галактически купове като директна проверка на закона за гравитацията на разстояния, започващи от около 30 мегапарсека, като съответните изчисления са доминирани за мащаби, по-големи от 10 мегапарсека.

Според изследователите това е най-мащабния директен тест на MOND досега.

Това е важно и защото идеите за модифицирана гравитация често се използват напоследък, когато астрономите се опитват да обяснят тъмната материя или космическото ускорение. Ако гравитацията е променила формата си в най-големи мащаби, движенията на галактиките би трябвало да носят някакъв признак за тази промяна. Тук доказателствата ни връщат към стандартната картина.

Анализът е замислен да остане сравнително общ. Той не се основава на подробен космологичен модел, освен на допускането за изотропна, хомогенна вселена, разширяваща се съгласно уравненията на Фридман. Той също така приема, че жизнеспособните теории трябва да възпроизвеждат наблюдаваната корелационна функция на галактиките при ниско червено отместване.

Предупрежденията са реални

Авторите не са представили резултата като окончателен. Подходът им предполага, че корелационната функция на галактиките се променя много бавно в тесния интервал на червеното отместване, който са изследвали, и твърдят, че това е добро приближение. Те са изчислили, че докато функцията на растеж се променя с около 15% в този диапазон, корелационната функция на галактиките се променя само с около 2%.

Те също така отбелязват специфично ограничение за MOND. Анализът не включва ефекта на външното поле, характеристика, която може да промени поведението на MOND, когато обект се намира в по-голяма гравитационна среда. Екипът твърди, че това вероятно не влияе силно на резултатите им, тъй като мащабите, които изследват, са много по-големи от размерите на най-големите вириализирани структури, въпреки че признават, че пълен тест би изисквал специални симулации.

Практически последици от изследването

Тази работа подкрепя тезата, че стандартният космологичен модел все още описва добре гравитацията дори на огромни разстояния. Тя също така дава на астрономите нов начин за директно тестване на гравитацията, използвайки как се движат галактическите клъстери, вместо да разчитат само на статични карти на местоположението на материята.

Този метод би трябвало скоро да стане много по-прецизен. Изследователите смятат, че с бъдещи наблюдения на микровълновия фон и много по-големи каталози на галактики, включително проби от около 4 милиона галактики, този вид тест би могъл да стане достатъчно прецизен, за да изключи закон за силата n = 1 на ниво 10 сигма.

С други думи, следващият кръг от данни може не само да даде предимство на една картина пред друга, но и да реши въпроса много по-категорично.

Справка: Test of the Gravitational Force Law on Cosmological Scales Using the Kinematic Sunyaev-Zeldovich Effect; P. A. Gallardo et al.; Phys. Rev. Lett. 136, 151002 – Published 15 April, 2026 DOI: https://doi.org/10.1103/rk8v-rcm3

Източник: Scientists reveal the hidden forces shaping how gravity works across the Universe, The Brighter Side of News

Още по темата

02/04/2026

Космос

Квадратичната теория на гравитацията: Нова теория пренаписва квантовия поглед върху Големия взрив

13/05/2024

Космос

"Касини" нанесе смъртоносен удар на MOND, алтернативната теория за гравитацията

25/10/2021

Физика

Нова теория на MOND, която не изисква тъмна материя и отчита космическия микровълнов фон

20/11/2016

Космос

Ще реши ли MOND проблемите на теорията на гравитацията (видео)