Mișcarea roiurilor de galaxii din Universul îndepărtat tocmai ne-a oferit cel mai amplu test al legilor gravitației realizat până în prezent. Rezultatul? Chiar și pe scări de mărime uluitoare, care se întind pe sute de milioane de ani-lumină, gravitația continuă să se comporte exact așa cum a prezis Isaac Newton în celebra sa lege universală. Acest rezultat rezolvă parțial una dintre cele mai mari dezbateri din astrofizica modernă, demonstrând că legea gravitației a lui Newton funcționează impecabil la scară galactică, lăsând materia întunecată drept principala explicație pentru anomaliile observate în cosmos.
Conform acestei legi, fiecare particulă din Univers atrage orice altă particulă cu o forță gravitațională direct proporțională cu masa lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre centrele lor de masă.
Observarea acestui efect precis în roiuri de galaxii aflate la miliarde de ani-lumină distanță nu doar că ne consolidează înțelegerea actuală asupra gravitației, dar întărește semnificativ și argumentele în favoarea existenței materiei întunecate – misterioasa sursă teoretică a atracției gravitaționale inexplicabile din cosmos.
„Este remarcabil faptul că legea inversului pătratelor – propusă de Newton în secolul al XVII-lea și apoi încorporată în teoria lui Einstein privind relativitatea generală – își menține încă valabilitatea în secolul XXI”, a spus cosmologul Patricio Gallardo de la Universitatea din Pennsylvania.
Enigma materiei lipsă din Univers
Miza acestei enigme este uriașă: fie acceptăm că 85% din Univers este invizibil (materia întunecată), fie admitem că cele mai importante legi ale fizicii, formulate de Newton și Einstein, trebuie rescrise.
Când privim Universul la scară largă, apare o discrepanță bizară. Dacă facem un recensământ al întregii materii barionice normale – adică materia vizibilă, din care este alcătuit totul: stele, galaxii, găuri negre, planete, praf cosmic și chiar noi înșine – și aplicăm înțelegerea noastră despre cum ar trebui să se comporte, ecuația nu dă rezultatul corect. Lucrurile pur și simplu nu se mișcă așa cum ar trebui.
Galaxiile se rotesc mult prea repede. Lumina care călătorește prin Univers urmează o curbură gravitațională a spațiu-timpului prea pronunțată pentru a fi generată exclusiv de masa barionică existentă. Mai mult, roiurile de galaxii care teoretic ar trebui să se împrăștie rămân, în mod inexplicabil, strâns legate între ele. Până și micile unduiri din Radiaţia cosmică de fond reprezintă „ecoul” luminos al Big Bang-ului, o radiație reziduală care oferă astrofizicienilor o pânză de fundal perfectă pentru a observa umbrele lăsate de structurile masive din Univers capătă sens doar dacă acceptăm că cea mai mare parte a materiei din Univers este invizibilă.
În fața acestor discrepanțe, fizicienii au două explicații principale. Prima este materia întunecată: o substanță pe care nu o putem detecta direct și care interacționează cu Universul vizibil (barionic) doar prin intermediul gravitației. Pe baza măsurătorilor fenomenelor amintite, se estimează că aproximativ 85% din materia din Univers ar fi „întunecată”.
Cea de-a doua explicație sugerează că definițiile noastre privind gravitația – formulate inițial de Newton și perfecționate ulterior de Albert Einstein – sunt incomplete și au nevoie de o ajustare la scară cosmică.
„Aceasta este enigmă centrală. Fie gravitația se comportă diferit la scări foarte mari, fie Universul conține materie suplimentară pe care nu o putem vedea direct.”, a mai explicat Gallardo.
Cum testezi gravitația la 7 miliarde de ani-lumină distanță?
O modalitate de a rezolva problema este căutarea de noi dovezi directe ale materiei întunecate. Alternativa este testarea riguroasă a comportamentului gravitației pentru a vedea dacă respectă cu adevărat legile fizicii cunoscute. Gallardo și echipa sa au ales a doua cale.
Ei au măsurat vitezele unor roiuri de galaxii îndepărtate, situate într-un volum uriaș de spațiu aflat la o distanță de 5 până la 7 miliarde de ani-lumină. Acest eșantion masiv a inclus aproximativ 686.000 de galaxii, multe dintre ele fiind grupate în roiuri care sunt atrase gravitațional unele către altele.
Pentru a calcula vitezele acestor formațiuni titanice, cercetătorii au apelat la efectul cinematic Sunyaev-Zeldovich. Această tehnică implică studierea radiaţiei cosmice de fond (CMB) – prima lumină care a curs liber prin Univers și care astăzi ne înconjoară pretutindeni.
În călătoria sa multiseculară spre noi, lumina din CMB traversează adesea norii intenși de gaz fierbinte care învăluie roiurile de galaxii. Dacă roiul stă pe loc, lumina își continuă drumul în linie dreaptă. Totuși, dacă roiul se mișcă, fotonii din CMB se lovesc de electronii liberi și se împrăștie, deviere care modifică ușor semnalul original.
Măsurând cu precizie amplitudinea acestei deplasări, oamenii de știință pot determina viteza cu care se mișca roiul galactic exact în momentul în care lumina a trecut prin el. Ulterior, cunoscând viteza cu care două roiuri se apropie unul de celălalt, fizicienii pot deduce masele implicate și pot evalua comportamentul forțelor gravitaționale aflate în acțiune.
Materia întunecată vs. gravitația modificată: ce ne arată testul cosmic?
Dacă teoriile noastre despre gravitație ar fi necesitat o modificare la scară largă, forțele gravitaționale ar fi trebuit să fie mai puternice la distanțe mari față de masele implicate; cu alte cuvinte, forța ar fi trebuit să scadă mai lent odată cu distanța.
Ceea ce au observat cercetătorii a fost, în schimb, exact contrariul: atracția gravitațională dintre roiuri s-a estompat rapid la distanțe mari, comportament aflat în perfectă concordanță cu teoriile clasice ale lui Newton și Einstein.
Această descoperire sugerează ferm că materia întunecată este o explicație mult mai bine susținută pentru efectele gravitaționale bizare observate în cosmos decât ipoteza gravitației modificate. Cu toate acestea, misterul de la baza cosmosului este departe de a fi rezolvat complet.
„Acest studiu întărește dovezile că Universul conține o componentă de materie întunecată, dar încă nu știm din ce este alcătuită acea componentă. Cu atât de multe întrebări fără răspuns, gravitația rămâne unul dintre cele mai fascinante domenii de cercetare. Este un domeniu atractiv în mod natural.”, precizează Gallardo.
Deși legea gravitației a lui Newton a supraviețuit acestui test de proporții cosmice, adevărata natură a materiei întunecate rămâne, pentru moment, cel mai mare puzzle nerezolvat al fizicii moderne.
Cercetarea a fost publicată în revista științifică Physical Review Letters.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Cercetătorii au descoperit sute de „aminoacizi extratereștri” care nu au mai fost observați până acum pe Pământ
O nouă metodă transformă combustibilul preferat al cancerului într-o slăbiciune mortală pentru acesta
O cauză ascunsă a îmbătrânirii s-ar putea răspândi din adâncul oaselor
Unicul participant la propriul studiu, un profesor a ajuns la o vârstă biologică cu peste 15 ani sub cea reală
