Több mint három évszázaddal azután, hogy Isaac Newton megfogalmazta gravitációs törvényét, a kozmológusok az univerzum legnagyobb objektumainak segítségével is megerősítették azt. Newton híres inverz négyzetes törvényét laborkísérletekkel és a Naprendszeren belül már régen igazolták. A Physical Review Letters folyóiratban megjelent új tanulmányban azonban a lehetséges legnagyobb méretekre is kiterjesztik: több száz millió fényévre egymástól elhelyezkedő galaxishalmazokra.
„Tudjuk, hogy a törvény hihetetlenül pontosan érvényesül a Földön és az egyes galaxisokon belül. Most pedig kozmológiai méretekben is teszteljük” – mondja Priyamvada Natarajan, a Yale asztrofizikusa. Az eredmény nem meglepő, folytatja a szakértő, de szűkíti a lehetőségeket egy alternatív elmélet, a módosított newtoni dinamika (MOND) számára, amely a sötét anyag helyett a gravitáció hatásaival igyekszik megmagyarázni, hogy mi tartja össze a galaxisokat.
Newton törvénye szerint két nagy tömegű objektum között a gravitációs erő fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével. Az 1687-ben a Principia Mathematica oldalain közzétett képlet segítségével Newton azonnal meg tudta magyarázni a bolygók pályáit, ahogyan azokat Johannes Kepler három empirikus bolygómozgási törvénye számszerűsítette. Egy évszázaddal később Henry Cavendish laboratóriumi körülmények között is megerősítette a törvényt azzal, hogy egy vékony huzalra akasztott egy kis súlyt, és más súlyokat vitt a huzal végeihez. A huzal elcsavarodásának mérésével megállapította, hogy a súlyok közötti apró gravitációs vonzás hogyan változik a köztük lévő távolsággal. A fizikusok ma a Cavendish-kísérlet kifinomultabb változatait végzik, hogy olyan eltéréseket keressenek a négyzetes törvénytől, amelyek új, kisebb hatótávolságú erőkről tanúskodhatnak.
A chilei Atacama Kozmológiai Távcső (ACT) kutatói ezeket a vizsgálatokat a lehetséges legnagyobb méretekre terjesztették ki. „A galaxishalmazok szó szerint a világegyetem legnagyobb struktúrái” – mondja az eredményekről beszámoló tanulmány vezető szerzője, Patricio Gallardo, az ACT munkatársa, a Pennsylvaniai Egyetem kozmológusa. Ezek a halmazok több száz galaxist tartalmazhatnak, amelyeket kölcsönös gravitáció köt össze. Egy halmaz tömege a Nap tömegének kvadrilliószorosa lehet, és több tízmillió fényévre terjedhet ki.
A kutatók több százezer halmazon vizsgálták az erőt, azok pozíciójának és mozgási sebességének különálló statisztikai méréseit kombinálva. Ahogy a Naphoz közelebb lévő bolygók gyorsabban mozognak, úgy két egymáshoz közelebb lévő halmaz is gyorsabban mozog egymáshoz képest, mondja Kris Pardo, a tanulmány társszerzője, a Dél-Kaliforniai Egyetem kozmológusa. Tehát az, hogy bármely két halmaz relatív sebessége hogyan változik a köztük lévő távolsággal, a gravitáció természetét vizsgálja.
De persze mindezt nem egyszerű mérni. Ennek oka, hogy két csomópont relatív sebessége nem csak a saját maguk által generált gravitációs vonzástól függ, hanem a környező összes csomópont gravitációjától is. Ennek a bonyolult tényezőnek a figyelembevétele érdekében a kutatók először a 2000 óta több millió galaxist feltérképező Sloan Digital Sky Survey adataiból nyerték ki a galaxisok térbeli eloszlására vonatkozó információkat. Erre a térbeli eloszlásra egy általánosított, állítható paraméterekkel rendelkező erőtörvényt alkalmaztak, hogy megjósolják, hogyan változik a galaxishalmaz-párok relatív sebessége a távolsággal.
A kutatók ezt követően összehasonlították a jóslatot az ACT által 2007 és 2022 között rögzített sebességadatokkal. Az ACT az ősrobbanás utáni fényt, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást (CMB) mérte, és különösen jó eszköz volt a galaxishalmazok észlelésére. Amikor a CMB fotonjai áthaladnak egy galaxishalmazon, ütköznek a benne lévő elektronokkal, és energiát nyernek vagy veszítenek attól függően, hogy a halmaz a Föld felé tart vagy attól távolodik (ez a kinematikus Sunyaev–Zeldovich-effektus). A jelenség megkönnyíti a halmazok észlelését, és közvetlen képet ad sebességükről.
Az univerzum tágulásának és az űrt tágító sötét energiának a zavaró hatásait elkerülendő, a kutatók az 5,6–7,7 milliárd fényévre lévő halmazokra összpontosítottak, pillanatfelvételt készítve a kozmikus múltról. A csapat olyan kis gyorsulásokat is vizsgálni tudott, mint a Föld gravitációjának egymilliárdod része. És 80 millió és 800 millió fényév közötti távolságokban a gravitációs erő pontosan úgy viselkedett, ahogy Newton gravitációs törvénye leírja.
Newton törvényének ennyire tiszta érvényesülése egyre inkább megkérdőjelezi a MOND igazságának lehetőségét. Az 1980-as években a sötét anyag helyetti alternatívaként javasolt elmélet nem változtatja meg Newton gravitációs törvényét, hanem Newton második mozgástörvényét – az erő egyenlő a tömeg és a gyorsulás szorzatával – módosítja rendkívül alacsony gyorsulások esetén. Ha azonban a MOND pontos lenne, akkor a legnagyobb léptékekben a gravitáció ténylegesen a távolsággal arányosan változna, nem pedig a távolság négyzetével. A MOND már eddig is nehézkesen tudta leírni az univerzum fejlődését, és az új adatok újabb csapást mérnek rá, mondja Gallardo.
Talán még fontosabb, hogy a vizsgálat kiválóan demonstrálja a kinematikus Sunyaev–Zeldovich-effektussal történő sebességmérésben rejlő lehetőségeket, mondja Pardo. Az ACT utódja, a Simons Obszervatórium nevű mikrohullámú teleszkópokból álló rendszer már megkezdte az adatgyűjtést. Ez sokkal nagyobb pontossággal fogja mérni a kérdéses effektust, új eszközt biztosítva a sötét energia és az univerzum tágulása nyomon követéséhez, mondja a szakértő.
