Рух скупчень галактик у віддаленому Всесвіті дав можливість провести найбільше випробування законів гравітації.

На масштабах, що охоплюють сотні мільйонів світлових років, гравітація продовжує діяти так, як передбачав Ісаак Ньютон у своєму законі всесвітнього тяжіння.

Згідно з цим законом, кожна частинка у Всесвіті чинить гравітаційний вплив на інші частинки, пропорційно своїй масі та обернено пропорційно квадрату відстані між центрами мас цих частинок.

Спостереження цього ефекту у галактичних скупченнях на відстані мільярдів світлових років зміцнює наше розуміння гравітації та підкріплює теорію про таємниче джерело невідомого гравітаційного впливу, відоме як темна матерія.

"Це вражає, що закон обернених квадратів, запропонований Ньютоном у XVII столітті і потім включений у теорію загальної відносності Ейнштейна, все ще залишається в силі в XXI столітті", - говорить космолог Патрісіо Гальярдо з Університету Пенсільванії.

Коли ми дивимося на Всесвіт, виникає дивна невідповідність.

На основі обліку всього нормального, баріонного матеріалу, з якого складається все, що ми можемо бачити, включаючи зірки, галактики, чорні діри, планети, пил і навіть нас, речі не рухаються так, як повинні.

Галактики обертаються занадто швидко. Світло, що проходить через Всесвіт, слідує за гравітаційною кривизною простору-часу, яка занадто виражена для баріонної маси.

Галактичні скупчення, які повинні розлітатися, натомість щільно пов'язані. Маленькі коливання космічного мікрохвильового фону мають сенс лише якщо більшість матерії у Всесвіті невидима.

Існує дві основні пояснення цих невідповідностей. Одне з них - темна матерія, яку ми не можемо безпосередньо виявити, яка взаємодіє з баріонним Всесвітом лише через гравітацію.

На основі вимірювань вищезгаданих явищ, приблизно 85 відсотків матерії у Всесвіті є темною.

Інше пояснення полягає в тому, що в наших визначеннях гравітації, спочатку викладених Ньютоном, а потім уточнених Альбертом Ейнштейном, чогось не вистачає.

"Це центральна загадка", - говорить Гальярдо. "Або гравітація поводиться інакше на дуже великих масштабах, або Всесвіт містить додаткову матерію, яку ми не можемо безпосередньо бачити".

Один зі способів дослідити ці варіанти - шукати нові докази темної матерії. Інший - перевірити, чи гравітація поводиться відповідно до закону фізики.

Гальярдо та його колеги обрали останній варіант, вимірюючи швидкості віддалених галактичних скупчень у обсязі простору на відстані від 5 до 7 мільярдів світлових років.

Ця вибірка містить близько 686 000 галактик, багато з яких гравітаційно рухаються один до одного.

Щоб виміряти швидкості цих скупчень, дослідники використовували так званий кінематичний ефект Суньяєва-Зельдовича. Перше світло, яке вільно проходить через Всесвіт, є всюди навколо нас сьогодні - це космічний мікрохвильовий фон, або КМФ.

На своєму шляху до нас світло з КМФ часто проходить через величезні хмари гарячого газу, що оточують галактичні скупчення. Якщо скупчення не рухається, то світло просто проходить у прямій лінії; але якщо скупчення рухається, тоді фотони КМФ розсіюються на вільних електронах, трохи зміщуючи сигнал КМФ.

Вимірюючи ступінь зміщення, вчені можуть визначити, з якою швидкістю скупчення рухалося, коли світло проходило через нього. Швидкості, з якими два скупчення мчать один до одного, можна використовувати для дослідження мас, що беруть участь, і поведінки гравітаційних сил.

Якщо б потрібно було внести зміни до наших теорій гравітації, гравітаційні сили були б сильнішими на великих відстанях від мас, що беруть участь; тобто, вони б слабшали повільніше з відстанню.

Однак те, що дослідники спостерігали, було те, що гравітаційний вплив між скупченнями швидко зменшувався на більших відстанях - що відповідає теоріям Ньютона та Ейнштейна.

Це свідчить про те, що темна матерія є краще обґрунтованим поясненням дивних гравітаційних ефектів, спостережуваних у Всесвіті, ніж модифікована гравітація, але все ще залишає багато запитань без відповіді.

"Це дослідження зміцнює докази того, що Всесвіт містить компонент темної матерії, але ми все ще не знаємо, з чого складається цей компонент", - говорить Гальярдо.

"З такою кількістю нез'ясованих питань, гравітація залишається однією з найцікавіших областей досліджень. Це природно приваблива сфера".

Дослідження було опубліковано в Physical Review Letters.