De zwaartekracht volgt de wetten van Newton en Einstein, zelfs op kosmische schaal.

Door sterrenstelselclusters te volgen die honderden miljoenen lichtjaren van elkaar verwijderd zijn, ontdekten Penn-fysicus Patricio Gallardo en zijn medewerkers dat de zwaartekrachtswetten van Newton en Einstein nog steeds gelden, waardoor er weinig twijfel bestaat over het bestaan ​​van onzichtbare donkere materie.

Key afhaalrestaurants

• In het grootste zwaartekrachtonderzoek tot nu toe hebben Penn-fysicus Patricio Gallardo en zijn medewerkers de beweging van verre clusters van sterrenstelsels gevolgd om te testen of de wetten van de zwaartekracht nog steeds gelden voor de grootste structuren in het universum.
• De resultaten tonen aan dat de zwaartekracht zich op enorme kosmische schalen op dezelfde manier gedraagt ​​als dichter bij huis, volgens de regels die voor het eerst werden beschreven door Isaac Newton en later verfijnd door Albert Einstein.
• De bevindingen weerleggen alternatieve theorieën die suggereren dat de zwaartekracht op grote afstanden verandert.
• De studie versterkt het idee dat het universum grote hoeveelheden onzichtbare donkere materie bevat.

Zwaartekracht is, zoals de meeste mensen het begrijpen, de bekende kracht die een vallende appel naar de aarde trekt. Maar voor astronomen en theoretische natuurkundigen is het ook een raadselachtige, onzichtbare architect die de vorm en evolutie van de grootste kosmische structuren in het universum stuurt.

Al decennialang dwingen raadselachtige waarnemingen van ongewoon snel bewegende sterrenstelsels kosmologen zoals de University of Pennsylvania's Patricio A. Gallardo gaat de grondbeginselen van de natuurkunde opnieuw bekijken en onderzoekt bijvoorbeeld of de zwaartekrachtswetten zoals beschreven door Isaac Newton en Albert Einstein wel overal van toepassing zijn.

"De astrofysica wordt al lange tijd geplaagd door een enorme discrepantie in de kosmische balans," zegt Gallardo. "Als we kijken naar hoe sterren in sterrenstelsels ronddraaien of hoe sterrenstelsels zich binnen clusters van sterrenstelsels bewegen, lijken sommige veel te snel te bewegen voor de hoeveelheid zichtbare materie die ze bevatten." 

Deze discrepantie dwingt tot een keuze tussen twee radicale conclusies, legt hij uit. Ofwel bevat het universum concentraties van massieve, onzichtbare 'donkere materie' die extra zwaartekracht genereren, ofwel 'moeten de fundamentele vergelijkingen voor zwaartekracht worden aangepast'.

Nu, gebruikmakend van waarnemingen van de Atacama Cosmology Telescope (ACT), een telescoop van ongeveer drie tot vier verdiepingen hoog, ontwikkeld door een samenwerking tussen verschillende instellingen, waaronder onderzoekers van Penn onder leiding van Mark DevlinGallardo en zijn medewerkers hebben de zwaartekracht getest in clusters van sterrenstelsels die honderden miljoenen lichtjaren van elkaar verwijderd zijn – de grootste zwaartekrachtmeting tot nu toe.

Hun bevindingen, gepubliceerd in Physical Review Letters, laten zien dat de zwaartekracht met de afstand afneemt, vrijwel precies zoals voorspeld door de vergelijkingen die Newton ontwikkelde en later in Einsteins algemene relativiteitstheorie werd opgenomen.

"Het is opmerkelijk dat de wet van de inverse van de kwadraten – die in de 17e eeuw door Newton werd voorgesteld en vervolgens werd opgenomen in Einsteins algemene relativiteitstheorie – in de 21e eeuw nog steeds standhoudt," aldus Gallardo.

De bevestiging dat de zwaartekracht zich over enorme, extragalactische afstanden gedraagt ​​zoals voorspeld door de gevestigde theorie, versterkt een fundamentele pijler van de moderne wetenschap, legt Gallardo uit: het standaardmodel van de kosmologie. Door aan te tonen dat fundamentele zwaartekrachttheorieën niet falen op de grootste schalen, sluiten de gegevens in feite de deur voor een groep theorieën zoals Modified Newtonian Dynamics (MOND), die proberen kosmische bewegingen te verklaren door de wetten van de zwaartekracht aan te passen.

Toen Newton de omgekeerde kwadratische relatie formuleerde, die stelt dat de zwaartekracht afneemt in verhouding tot het kwadraat van de afstand tussen objecten, was hij vooral geïnteresseerd in het beschrijven van de bewegingen van objecten in het zonnestelsel. Ditzelfde principe is nu getest op massa's en afstanden die "in Newtons tijd ondenkbaar waren", aldus Gallardo.

Het begrijpen van de 'snelheidslimieten' van het universum

De sterrenstelsels in het universum – waarvan er meer dan 200 miljard zijn – bewegen niet zoals de zwaartekracht alleen zou doen vermoeden.

Volgens de logica van Newton zouden sterren verder van het centrum van een sterrenstelsel langzamer moeten omcirkelen. Sterrenkundigen zien echter het tegenovergestelde. De buitenste regionen bewegen veel sneller dan wat met zichtbare materie te verklaren valt. Dezelfde discrepantie doet zich voor in clusters van sterrenstelsels, waar complete sterrenstelsels te snel bewegen voor hun massa.

"Dat is de kern van de puzzel," legt Gallardo uit. "Ofwel gedraagt ​​de zwaartekracht zich anders op zeer grote schaal, ofwel bevat het universum extra materie die we niet direct kunnen waarnemen."

Het testen van de zwaartekracht in de kosmos

Om dit te testen, maakten de onderzoekers gebruik van ACT-waarnemingen van een lichtbron die ongeveer 380,000 jaar na de oerknal werd uitgezonden en sindsdien door het universum reist, bekend als de kosmische microgolfachtergrondstraling.

Terwijl dit oeroude licht door enorme clusters van sterrenstelsels trekt, wordt het subtiel vervormd door hun beweging, waardoor zwakke sporen achterblijven die astronomen kunnen detecteren. Door deze vervormingen te lezen en deze bewegingen te meten in honderdduizenden clusters die tientallen miljoenen lichtjaren van elkaar verwijderd zijn, bepaalden de onderzoekers hoe sterk de zwaartekracht aan de grootste structuren in de kosmos trekt. Als aangepaste zwaartekrachttheorieën zoals MOND correct zouden zijn, zouden de metingen een vlakkere afname van de zwaartekracht laten zien.

De resultaten kwamen echter vrijwel exact overeen met de theorieën van Newton en Einstein.

Omdat die voorspelling klopt, kan het probleem van de ontbrekende massa niet worden verklaard door een verandering in de zwaartekracht zelf. Dit versterkt het argument dat een onzichtbare component – ​​donkere materie – de extra aantrekkingskracht moet leveren.

Het mysterie van donkere materie

Het begrijpen van wat donkere materie nu eigenlijk is, blijft een van de grootste uitdagingen in de moderne natuurkunde.

"Deze studie versterkt het bewijs dat het universum een ​​component van donkere materie bevat," zegt Gallardo. "Maar we weten nog steeds niet waaruit die component is opgebouwd."

Toekomstige waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrondstraling en grotere onderzoeken naar sterrenstelsels zullen natuurkundigen en astronomen in staat stellen de zwaartekracht nog nauwkeuriger te testen.

"Met zoveel onbeantwoorde vragen blijft zwaartekracht een van de meest fascinerende onderzoeksgebieden. Het is van nature een aantrekkelijk vakgebied," lacht Gallardo.

Patricio Gallardo is onderzoeksmedewerker bij de afdeling Astronomie en Natuurkunde van de Faculteit der Letteren en Wetenschappen aan de Universiteit van Pennsylvania.

Aan het onderzoek namen meer dan 40 onderzoekers deel, verbonden aan instellingen in diverse landen. De individuele onderzoekers die aan dit onderzoek hebben bijgedragen, werden ondersteund door verschillende beurzen en nationale financieringsinstanties, waaronder het Kavli Institute for Cosmological Physics aan de Universiteit van Chicago, de Simons Society of Fellows, de Amerikaanse National Science Foundation (AST-2206088), NASA ROSES-subsidie ​​12-EUCLID12-0004, het Chileense Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) Basal-project FB210003, de National Research Foundation van Zuid-Afrika en de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) via subsidies RGPIN-2023-05014 en DGECR-2023-00180. Aanvullende ondersteuning werd geboden door de Sutton Family Chair in Science, Christianity and Cultures aan de Faculteit der Letteren en Wetenschappen van de Universiteit van Toronto. 

Het Atacama Cosmology Telescope (ACT)-project wordt voornamelijk ondersteund door de Amerikaanse National Science Foundation via de subsidies AST-0408698, AST-0965625 en AST-1440226 voor het ACT-project, evenals PHY-0355328, PHY-0855887 en PHY-1214379. Aanvullende financiering is verstrekt door Princeton University, de University of Pennsylvania en een subsidie ​​van de Canada Foundation for Innovation (CFI) aan de University of British Columbia. De ontwikkeling van ACT-multichroïsche detectoren en lenzen werd ondersteund door NASA-subsidies NNX13AE56G en NNX14AB58G, en detectoronderzoek bij het National Institute of Standards and Technology (NIST) werd ondersteund via het NIST Innovations in Measurement Science-programma.

Deel dit artikel: