En rastrejar cúmuls de galàxies separats per centenars de milions d'anys llum, el físic de Penn Patricio Gallardo i els seus col·laboradors descobreixen que les lleis de la gravetat escrites per Newton i Einstein encara es compleixen, deixant pocs dubtes que la matèria fosca invisible existeix.
Conclusions clau
En la sonda de la gravetat a major escala fins ara, el físic de Penn Patricio Gallardo i els seus col·laboradors van rastrejar el moviment de cúmuls de galàxies distants per comprovar si les lleis de la gravetat encara funcionen a través de les estructures més grans de l'univers. Els resultats mostren que la gravetat es comporta de la mateixa manera a grans escales còsmiques que més a prop de casa, seguint les regles descrites per primera vegada per Isaac Newton i posteriorment refinades per Albert Einstein.
Les troballes desafien teories alternatives que suggereixen canvis de gravetat a grans distàncies.
L'estudi reforça l'argument que l'univers conté grans quantitats de matèria fosca invisible.
La gravetat, tal com la majoria de la gent l'entén, és la força familiar que atrau una poma que cau cap a la Terra. Però per als astrònoms i els físics teòrics, també és un arquitecte invisible i molest que guia la forma i l'evolució de les estructures còsmiques més grans de l'univers.
Durant dècades, les observacions desconcertants de galàxies que es mouen a una velocitat inusual han obligat cosmòlegs com Patricio A. Gallardo, de la Universitat de Pennsilvània, a revisar els fonaments de la física, explorant, per exemple, si les lleis de la gravetat descrites per Isaac Newton i Albert Einstein s'apliquen realment a tot arreu.
"L'astrofísica s'ha vist afectada per una discrepància enorme en el llibre major còsmic", diu Gallardo. "Quan observem com orbiten les estrelles dins de les galàxies o com es mouen les galàxies dins dels cúmuls de galàxies, algunes semblen viatjar massa ràpid per a la quantitat de matèria visible que contenen".
Aquesta discrepància obliga a triar entre dues conclusions radicals, explica. O bé l'univers conté concentracions de matèria fosca massiva invisible que proporciona una força gravitatòria addicional o bé cal modificar les equacions fonamentals de la gravetat.
Ara, utilitzant observacions del Telescopi de Cosmologia d'Atacama (ACT), un telescopi d'aproximadament tres a quatre pisos d'alçada desenvolupat per una col·laboració multi-institucional que inclou investigadors de Penn dirigits per Mark Devlin, Gallardo i els seus col·laboradors, han provat la gravetat a través de cúmuls de galàxies separats per centenars de milions d'anys llum, la sonda de gravetat a major escala fins ara.
Clic a la imatge per engrandir. El Telescopi de Cosmologia Atacama mesura la llum més antiga de l'univers, coneguda com el fons còsmic de microones. Utilitzant aquestes mesures, els científics poden calcular l'edat de l'univers. Crèdit: Debra Kellne
Les seves troballes, publicades a Physical Review Letters, mostren que la força de la gravetat s'afebleix amb la distància gairebé exactament com prediuen les equacions desenvolupades per Newton i posteriorment incorporades a la teoria de la relativitat general d'Einstein.
"És remarcable que la llei de la inversa dels quadrats (proposada per Newton al segle XVII i després incorporada per la teoria de la relativitat general d'Einstein) encara es mantingui vigent al segle XXI", diu Gallardo.
La confirmació que la gravetat es comporta tal com prediu la teoria establerta sobre vastes distàncies extragalàctiques reforça un pilar fonamental de la ciència moderna, explica Gallardo: el model estàndard de cosmologia. En demostrar que les teories fonamentals de la gravetat no es descomponen a les escales més grans, les dades tanquen efectivament la porta a un grup de teories com la Dinàmica Newtoniana Modificada (MOND), que intenten explicar els moviments còsmics modificant les lleis de la gravetat.
Quan Newton va proposar la relació del quadrat invers, que estableix que la gravetat s'afebleix en proporció al quadrat de la distància entre els objectes, es va preocupar principalment de descriure els moviments dels objectes del Sistema Solar. Aquest mateix principi s'ha provat ara en masses i distàncies que eren "inconcebibles en l'època de Newton", diu Gallardo.
Comprenent els "límits de velocitat" de l'univers
Les galàxies de l'univers (de les quals n'hi ha més de 200.000 milions), no es mouen com la gravetat per si sola diu que s'hi haurien de moure.
Seguint la lògica newtoniana, les estrelles més allunyades del centre d'una galàxia haurien d'orbitar més lentament. En canvi, els astrònoms veuen el contrari. Les regions més externes es mouen molt més ràpid del que la matèria visible pot explicar. El mateix desajust apareix en els cúmuls de galàxies, on galàxies senceres es mouen massa ràpid per a la seva massa.
"Aquest és el trencaclosques central", explica Gallardo. "O bé la gravetat es comporta de manera diferent a escales molt grans, o bé l'univers conté matèria addicional que no podem veure directament".
Provant la gravetat a través del cosmos
Per comprovar-ho, els investigadors van recórrer a les observacions de l'ACT d'una llum emesa uns 380.000 anys després del Big Bang que ha estat viatjant per l'univers des de llavors, coneguda com a fons còsmic de microones. A mesura que aquesta llum antiga passa a través de cúmuls de galàxies massius, s'altera subtilment pel seu moviment, deixant empremtes febles que els astrònoms poden detectar. Llegint aquestes distorsions i mesurant aquests moviments a través de centenars de milers de cúmuls separats per desenes de milions d'anys llum, els investigadors van determinar la força amb què la gravetat atrau les estructures més grans del cosmos. Si les teories de gravetat modificades com ara MOND fossin correctes, les mesures revelarien una caiguda gravitatòria més plana.
En canvi, els resultats van arribar gairebé exactament on coincideixen les teories de Newton i Einstein.
Com que aquesta predicció es manté, el problema de la massa perduda no es pot explicar canviant la gravetat en si mateixa, cosa que reforça el cas que un component invisible (la matèria fosca) ha de proporcionar l'atracció addicional.
El misteri de la matèria fosca
Comprendre què és realment la matèria fosca continua sent un dels majors reptes de la física moderna. «Aquest estudi reforça l'evidència que l'univers conté un component de matèria fosca», diu Gallardo. «Però encara no sabem de què està fet aquest component». Les futures observacions del CMB i estudis de galàxies més grans permetran als físics i astrònoms provar la gravetat amb encara més precisió. "Amb tantes preguntes sense resposta, la gravetat continua sent una de les àrees de recerca més fascinants. És un camp naturalment atractiu", diu Gallardo entre rialles.
Per saber-ne més:
Patricio Gallardo és investigador associat al Departament d'Astronomia i Física de l'Escola d'Arts i Ciències de la Universitat de Pennsilvània.
L'estudi va involucrar més de 40 investigadors que representaven afiliacions institucionals de múltiples països. Els investigadors individuals que van contribuir a aquest estudi van rebre el suport de diverses beques i agències de finançament nacionals, com ara el Kavli Institute for Cosmological Physics de la Universitat de Chicago, la Simons Society of Fellows, la National Science Foundation dels EUA (AST-2206088), la beca ROSES de la NASA 12-EUCLID12-0004, el projecte Basal FB210003 de l'Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) de Xile, la National Research Foundation de Sud-àfrica i el Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) a través de les beques RGPIN-2023-05014 i DGECR-2023-00180. La Càtedra Sutton Family en Ciència, Cristianisme i Cultures de la Facultat d'Arts i Ciències de la Universitat de Toronto va proporcionar suport addicional.
El projecte del Telescopi de Cosmologia d'Atacama (ACT) rep el suport principalment de la Fundació Nacional de Ciències dels Estats Units a través dels premis AST-0408698, AST-0965625 i AST-1440226 per al projecte ACT, així com dels PHY-0355328, PHY-0855887 i PHY-1214379. La Universitat de Princeton, la Universitat de Pennsilvània i un premi de la Fundació Canadenca per a la Innovació (CFI) a la Universitat de la Colúmbia Britànica han proporcionat finançament addicional. El desenvolupament dels detectors i lents multicroics de l'ACT va rebre el suport de les subvencions de la NASA NNX13AE56G i NNX14AB58G, i la recerca de detectors a l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia (NIST) va rebre el suport del programa NIST Innovations in Measurement Science.
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada
Aquí pots deixar el teu comentari