«Апостериори»: Астрономы проверили закон гравитации на масштабах в сотни миллионов световых лет
Новости науки и технологий
Поддержите «Эхо», если вы не в России
Учёные впервые использовали движение галактических скоплений, чтобы напрямую проверить, как гравитационное ускорение зависит от расстояния на космологических масштабах. Полученные результаты согласуются с законом обратных квадратов, согласно которому гравитационное ускорение уменьшается пропорционально величине обратной квадрату расстояния.
Этот закон обычно связывают с теорией гравитации Ньютона. Однако ньютоновская гравитация также является приближением общей теории относительности в условиях слабого гравитационного поля и скоростей, значительно меньших скорости света. Именно в таком режиме происходит движение галактик и галактических скоплений, которое изучали авторы новой работы. При этом расчёты учитывают, что эти объекты находятся в расширяющейся Вселенной.
На масштабах Солнечной системы гравитация изучена с очень высокой точностью. Для большинства движений ньютоновский закон обратных квадратов служит отличным приближением, однако для наиболее точного описания некоторых эффектов, например прецессии орбиты Меркурия, уже необходимо учитывать поправки общей теории относительности. Но на гораздо больших, космологических масштабах проверить зависимость гравитационного ускорения от расстояния значительно сложнее.
При этом существуют альтернативные теории, согласно которым при очень слабой гравитации привычная зависимость может изменяться. Одна из наиболее известных – модифицированная ньютоновская динамика, или MOND. Её предложили в 1980-х годах как возможное объяснение движения звёзд в галактиках без привлечения тёмной материи. Наблюдаемые звёзды на окраинах многих галактик движутся быстрее, чем можно было бы ожидать исходя только из количества видимого вещества. В стандартной космологической модели это объясняется присутствием дополнительной невидимой массы – тёмной материи. MOND предлагает другой вариант: при достаточно малых ускорениях меняется сам характер гравитационного взаимодействия.
В новой работе исследователи использовали кинематический эффект Сюняева–Зельдовича. Он возникает, когда фотоны реликтового излучения рассеиваются на свободных электронах в движущемся газе галактических групп и скоплений. Из-за движения газа частота фотонов немного изменяется. Этот эффект позволяет статистически оценивать скорости движения больших скоплений вещества.
Авторы работы объединили наблюдения Atacama Cosmology Telescope с каталогами галактик Sloan Digital Sky Survey. Они рассматривали пары галактических групп и скоплений, разделённых расстояниями примерно от 30 до 230 мегапарсек – это от почти 100 до 750 миллионов световых лет. Гравитация влияет на среднюю скорость сближения таких структур. Поэтому зависимость этой скорости от расстояния позволяет судить о том, как меняется гравитационное ускорение на разных масштабах.
При этом не речь идёт о непосредственном измерении силы притяжения между двумя отдельными скоплениями. Исследователи анализируют средние скорости большого количества пар и наблюдаемое распределение галактик. На основе этих данных можно восстановить зависимость среднего гравитационного ускорения от расстояния.
На масштабах, исследованных в новой работе, ускорения настолько малы, что MOND предсказывает существенно более медленное ослабление гравитации с расстоянием.
Исследователи описали возможную зависимость гравитационного ускорения от расстояния с помощью показателя степени n. Для закона обратных квадратов n равен двум. В используемом авторами приближении модифицированная ньютоновская динамика, на исследуемых масштабах соответствует значению n, равному единице.
Из наблюдений учёные получили значение n, равное 2,1 плюс-минус 0,3. Оно хорошо согласуется с предсказанием стандартной космологической модели: отличие от значения 2 составляет всего 0,4 стандартного отклонения. В то же время значение, соответствующее рассмотренному варианту MOND, отличается от наблюдений примерно на 3,3 стандартного отклонения.
Это, однако, не означает окончательного опровержения MOND. Авторы рассматривают конкретный режим этой теории для очень слабых ускорений. Кроме того, в расчётах не учитывался так называемый эффект внешнего поля, который в MOND может менять движение объекта под влиянием окружающего распределения вещества. Исследователи считают, что на рассмотренных масштабах этот эффект, вероятно, невелик, но для полной проверки потребуются дополнительные численные модели.
Поэтому главное значение работы заключается не столько в ограничениях одной конкретной альтернативной теории, сколько в самом методе. Ранее проверки гравитации на космологических масштабах обычно зависели от дополнительных предположений об истории расширения Вселенной и формировании крупномасштабной структуры. Новый подход позволяет использовать относительные скорости галактических скоплений как более прямой показатель действующего на них гравитационного ускорения.
Пока точность такого метода сравнительно невелика. Но будущие обзоры смогут охватить миллионы галактик, а новые наблюдения реликтового излучения позволят значительно точнее измерять их движение. Это даст возможность проверить, сохраняется ли привычный закон гравитации на всё больших космологических масштабах – и искать небольшие отклонения, которые могли бы указывать на физику за пределами стандартной космологической модели.