Viac než tri storočia po tom, čo Isaac Newton sformuloval svoj gravitačný zákon, ho kozmológovia potvrdili aj pomocou najväčších objektov vo vesmíre. Newtonov slávny zákon obrátených štvorcov už dávno overili laboratórne experimenty aj pozorovania v Slnečnej sústave. Nová štúdia publikovaná v časopise Physical Review Letters však jeho platnosť preveruje aj na najväčších možných škálach: na kopách galaxií, ktoré od seba delia stovky miliónov svetelných rokov.
„Vieme, že tento zákon platí s neuveriteľnou presnosťou na Zemi aj v jednotlivých galaxiách. Teraz ho testujeme aj v kozmologických mierkach,“ hovorí Priyamvada Natarajan, astrofyzička z Yaleovej univerzity. Výsledok podľa nej nie je prekvapivý, ale zužuje priestor pre alternatívnu teóriu, modifikovanú newtonovskú dynamiku (MOND). Tá sa snaží vysvetliť, čo drží galaxie pohromade, pomocou účinkov gravitácie namiesto temnej hmoty.
Podľa Newtonovho zákona je gravitačná sila medzi dvoma hmotnými objektmi nepriamo úmerná druhej mocnine ich vzdialenosti. Pomocou vzorca, ktorý v roku 1687 zverejnil v diele Principia Mathematica, dokázal Newton okamžite vysvetliť dráhy planét, ktoré Johannes Kepler opísal svojimi tromi empirickými zákonmi pohybu planét. O storočie neskôr Henry Cavendish potvrdil zákon aj v laboratórnych podmienkach: na tenký drôt zavesil malé závažie a ku koncom drôtu približoval ďalšie závažia. Meraním skrútenia drôtu zistil, ako sa nepatrná gravitačná príťažlivosť medzi závažiami mení s ich vzájomnou vzdialenosťou. Fyzici dnes vykonávajú sofistikovanejšie verzie Cavendishovho experimentu a hľadajú odchýlky od zákona obrátených štvorcov, ktoré by mohli svedčiť o nových silách s kratším dosahom.
Výskumníci z kozmologického ďalekohľadu Atacama (ACT) v Čile rozšírili tieto skúšky na najväčšie možné škály. „Kopy galaxií sú doslova najväčšími štruktúrami vo vesmíre,“ hovorí hlavný autor štúdie Patricio Gallardo, kozmológ z Pensylvánskej univerzity, ktorý pôsobí v projekte ACT. Tieto kopy môžu obsahovať stovky galaxií, ktoré spája vzájomná gravitačná príťažlivosť. Hmotnosť jednej kopy môže dosahovať kvadriliónnásobok hmotnosti Slnka a jej rozmery môžu predstavovať desiatky miliónov svetelných rokov.
Výskumníci skúmali túto silu na státisícoch kôp, pričom skombinovali samostatné štatistické merania ich polôh a rýchlostí pohybu. Tak ako sa planéty bližšie k Slnku pohybujú rýchlejšie, aj dve kopy, ktoré sú bližšie k sebe, sa voči sebe pohybujú rýchlejšie, vysvetľuje spoluautor štúdie Kris Pardo, kozmológ z Univerzity Južnej Kalifornie. To, ako sa relatívna rýchlosť ľubovoľných dvoch kôp mení s ich vzdialenosťou, teda umožňuje skúmať povahu gravitácie.
Zmerať to však nie je jednoduché. Relatívna rýchlosť dvoch kôp totiž nezávisí iba od ich vzájomnej gravitačnej príťažlivosti, ale aj od gravitácie všetkých okolitých kôp. Aby výskumníci tento zložitý vplyv zohľadnili, najprv získali informácie o priestorovom rozložení galaxií z údajov projektu Sloan Digital Sky Survey, ktorý od roku 2000 zmapoval milióny galaxií. Na toto priestorové rozloženie potom aplikovali zovšeobecnený silový zákon s nastaviteľnými parametrami, aby predpovedali, ako sa relatívna rýchlosť dvojíc kôp galaxií mení so vzdialenosťou.
Následne túto predpoveď porovnali s údajmi o rýchlostiach, ktoré ACT zaznamenal v rokoch 2007 až 2022. ACT meral svetlo, ktoré zostalo po veľkom tresku, teda kozmické mikrovlnné pozadie (CMB), a bol mimoriadne vhodný na detekciu kôp galaxií. Keď fotóny CMB prechádzajú kopou galaxií, zrážajú sa s elektrónmi v jej vnútri a získavajú alebo strácajú energiu podľa toho, či sa kopa približuje k Zemi, alebo sa od nej vzďaľuje. Ide o kinematický Sunyaevov–Zeldovichov jav. Tento jav uľahčuje detekciu kôp a priamo vypovedá o ich rýchlosti.
Aby sa výskumníci vyhli rušivým vplyvom rozpínania vesmíru a temnej energie, ktorá rozpínanie priestoru poháňa, zamerali sa na kopy vzdialené 5,6 až 7,7 miliardy svetelných rokov. Získali tak obraz vesmíru v konkrétnom období jeho minulosti. Dokázali skúmať aj také malé zrýchlenia, aké zodpovedajú miliardtine gravitačného zrýchlenia na Zemi. Pri vzdialenostiach od 80 miliónov do 800 miliónov svetelných rokov sa gravitačná sila správala presne tak, ako to opisuje Newtonov gravitačný zákon.
Takéto jednoznačné potvrdenie Newtonovho zákona čoraz viac spochybňuje možnosť, že MOND je správna. Táto teória, navrhnutá v 80. rokoch minulého storočia ako alternatíva k temnej hmote, nemení Newtonov gravitačný zákon. Pri mimoriadne nízkych zrýchleniach namiesto toho upravuje druhý Newtonov pohybový zákon, podľa ktorého sa sila rovná súčinu hmotnosti a zrýchlenia. Ak by však MOND platila, na najväčších škálach by sa gravitácia v skutočnosti menila v závislosti od vzdialenosti, a nie od jej druhej mocniny. MOND už dosiaľ mala problémy s opisom vývoja vesmíru a nové údaje jej zasadzujú ďalšiu ranu, hovorí Gallardo.
Podľa Parda je azda ešte dôležitejšie, že štúdia výborne ukazuje potenciál merania rýchlosti pomocou kinematického Sunyaevovho–Zeldovichovho javu. Nástupca ACT, sústava mikrovlnných ďalekohľadov s názvom Simons Observatory, už začal zbierať údaje. Tento jav bude merať oveľa presnejšie a poskytne tak nový nástroj na sledovanie temnej energie a rozpínania vesmíru, dodáva vedec.
