Više od tri stoljeća nakon što je Isaac Newton formulirao svoj zakon gravitacije, kozmolozi su ga uz pomoć najvećih objekata svemira potvrdili. Newtonov poznati zakon obrnutog kvadrata davno je potvrđen laboratorijskim pokusima i unutar Sunčeva sustava. U časopisu Physical Review Letters objavljena je nova studija koja ga proširuje ga, međutim, na najveće moguće razmjere: na skupove galaksija međusobno udaljene stotinama milijuna svjetlosnih godina.
„Znamo da zakon nevjerojatno precizno vrijedi na Zemlji i unutar pojedinih galaksija. Sada ga testiramo i u kozmološkim razmjerima”, kaže Priyamvada Natarajan, astrofizičarka sa Yalea. Rezultat nije iznenađujući, nastavlja stručnjakinja, ali sužava mogućnosti alternativne teorije, modificirane newtonovske dinamike (MOND), koja umjesto tamne tvari učincima gravitacije nastoji objasniti što drži galaksije na okupu.
Prema Newtonovu zakonu, gravitacijska sila između dvaju masivnih objekata obrnuto je razmjerna kvadratu udaljenosti među njima. Formulom objavljenom 1687. na stranicama djela Principia Mathematica Newton je odmah mogao objasniti putanje planeta, onako kako ih je kvantificirao Johannes Kepler svojim trima empirijskim zakonima gibanja planeta. Stoljeće kasnije Henry Cavendish potvrdio je zakon i u laboratorijskim uvjetima, tako da je o tanku žicu objesio mali uteg, a druge utege doveo do krajeva žice. Mjerenjem uvijanja žice utvrdio je kako se sićušno gravitacijsko privlačenje među utezima mijenja s udaljenošću među njima. Fizičari danas provode sofisticiranije inačice Cavendishova pokusa kako bi tražili odstupanja od zakona kvadrata, koja bi mogla svjedočiti o novim silama kraćeg dometa.
Istraživači čileanskog Atacama kozmološkog teleskopa (ACT) proširili su ta ispitivanja na najveće moguće razmjere. „Skupovi galaksija doslovno su najveće strukture u svemiru”, kaže glavni autor studije koja izvještava o rezultatima, Patricio Gallardo, suradnik ACT-a i kozmolog sa Sveučilišta Pennsylvania. Ti skupovi mogu sadržavati stotine galaksija povezanih međusobnom gravitacijom. Masa jednog skupa može biti kvadrilijun puta veća od mase Sunca, a prostirati se na desecima milijuna svjetlosnih godina.
Istraživači su silu ispitivali na stotinama tisuća skupova, kombinirajući zasebna statistička mjerenja njihova položaja i brzine gibanja. Kao što se planeti bliži Suncu gibaju brže, tako se i dva skupa bliža jedan drugome brže gibaju jedan prema drugome, kaže Kris Pardo, suautor studije i kozmolog sa Sveučilišta Južne Kalifornije. Dakle, to kako se relativna brzina bilo koja dva skupa mijenja s udaljenošću među njima ispituje narav gravitacije.
No sve to, naravno, nije lako izmjeriti. Razlog je to što relativna brzina dvaju čvorova ne ovisi samo o gravitacijskom privlačenju koje sami stvaraju, nego i o gravitaciji svih okolnih čvorova. Kako bi uzeli u obzir taj složeni čimbenik, istraživači su informacije o prostornoj raspodjeli galaksija najprije izvukli iz podataka Sloan Digital Sky Surveya, koji od 2000. kartira milijune galaksija. Na tu su prostornu raspodjelu primijenili generalizirani zakon sile s podesivim parametrima kako bi predvidjeli kako se relativna brzina parova skupova galaksija mijenja s udaljenošću.
Istraživači su potom predviđanje usporedili s podacima o brzinama koje je ACT zabilježio između 2007. i 2022. ACT je mjerio svjetlost nakon Velikog praska, kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje (CMB), i bio je posebno dobar alat za otkrivanje skupova galaksija. Kad fotoni CMB-a prolaze kroz skup galaksija, sudaraju se s elektronima u njemu i dobivaju ili gube energiju, ovisno o tome približava li se skup Zemlji ili se od nje udaljava (to je kinematički Sunyaev–Zeldovičev efekt). Taj fenomen olakšava otkrivanje skupova i daje izravnu sliku njihovih brzina.
Kako bi izbjegli ometajuće učinke širenja svemira i tamne energije koja rasteže prostor, istraživači su se usredotočili na skupove udaljene 5,6 do 7,7 milijardi svjetlosnih godina, praveći tako snimku kozmičke prošlosti. Tim je mogao ispitivati i ubrzanja tako mala kao milijarditi dio Zemljine gravitacije. A na udaljenostima između 80 milijuna i 800 milijuna svjetlosnih godina gravitacijska sila ponašala se upravo onako kako je opisuje Newtonov zakon gravitacije.
Tako čista primjena Newtonova zakona sve više dovodi u pitanje mogućnost da je MOND istinit. Teorija predložena 1980-ih kao alternativa tamnoj tvari ne mijenja Newtonov zakon gravitacije, nego modificira Newtonov drugi zakon gibanja – sila je jednaka umnošku mase i ubrzanja – pri iznimno niskim ubrzanjima. No da je MOND točan, na najvećim bi se razmjerima gravitacija doista mijenjala razmjerno udaljenosti, a ne kvadratu udaljenosti. MOND je već do sada teško opisivao razvoj svemira, a novi podaci zadaju mu novi udarac, kaže Gallardo.
Možda je još važnije što studija izvrsno pokazuje potencijal mjerenja brzina pomoću kinematičkog Sunyaev–Zeldovičeva efekta, kaže Pardo. Nasljednik ACT-a, sustav mikrovalnih teleskopa nazvan Simons Observatory, već je počeo prikupljati podatke. On će dotični efekt mjeriti s mnogo većom preciznošću, čime će pružiti novi alat za praćenje tamne energije i širenja svemira, kaže stručnjak.
