Gravitationen, som de flesta förstår den, är den välbekanta kraften som drar ett fallande äpple mot jorden. Men för astronomer och teoretiska fysiker är den också en gåtfull, osynlig arkitekt som styr formen och utvecklingen hos de största kosmiska strukturerna i hela universum.
I årtionden har gåtfulla observationer av ovanligt snabbrörliga galaxer tvingat kosmologer som Patricio A. Gallardo vid University of Pennsylvania att se över fysikens grunder och undersöka, till exempel, om de gravitationslagar som beskrivits av Isaac Newton och Albert Einstein verkligen gäller överallt.
”Astrofysiken har plågats av en enorm diskrepans i den kosmiska bokföringen”, säger Gallardo. ”När vi tittar på hur stjärnor kretsar inom galaxer eller hur galaxer rör sig inom galaxkluster, verkar vissa röra sig alldeles för snabbt i förhållande till den mängd synlig materia de innehåller.”
Denna diskrepans tvingar fram ett val mellan två radikala slutsatser, förklarar han. Antingen innehåller universum koncentrationer av massiv osynlig ”mörk materia” som ger extra gravitationskraft, eller så ”måste de grundläggande ekvationerna för gravitationen modifieras”.
Atacama Cosmology Telescope mäter det äldsta ljuset i universum, känt som den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Med hjälp av dessa mätningar kan forskare beräkna universums ålder. Källa: Debra Kellner
Nu har Gallardo och hans medarbetare, med hjälp av observationer från Atacama Cosmology Telescope (ACT) – ett ungefär tre till fyra våningar högt teleskop som till stor del utvecklats av forskare vid Penn under ledning av Mark Devlin – testat gravitationen över galaxhopar som är åtskilda av hundratals miljoner ljusår – den hittills största undersökningen av gravitationen.
Deras resultat, publicerade i Physical Review Letters, visar att gravitationsstyrkan avtar med avståndet nästan exakt som förutsagt av de ekvationer som utvecklades av Newton och senare införlivades i Einsteins allmänna relativitetsteori.
”Det är anmärkningsvärt att lagen om kvadratinversen – föreslagen av Newton på 1600-talet och sedan införlivad i Einsteins allmänna relativitetsteori – fortfarande håller stånd i det 21:a århundradet”, säger Gallardo.
Bekräftelsen att gravitationen beter sig som den etablerade teorin förutsäger över enorma, extragalaktiska avstånd stärker en grundpelare i modern vetenskap, förklarar Gallardo: standardmodellen för kosmologi. Genom att visa att grundläggande teorier om gravitation inte faller samman på de största skalorna stänger data effektivt dörren för en grupp teorier som Modified Newtonian Dynamics (MOND), som försöker förklara kosmiska rörelser genom att modifiera gravitationslagarna.
När Newton föreslog den omvända kvadratlagen, som säger att gravitationen avtar i proportion till kvadraten på avståndet mellan objekt, var han främst intresserad av att beskriva rörelserna hos objekt i solsystemet. Samma princip har nu testats på massor och avstånd som var ”otänkbara på Newtons tid”, säger Gallardo.
Ljus från den kosmiska mikrovågsbakgrunden passerar genom het gas runt två galaxkluster och fångar upp små förvrängningar som teleskop kan använda för att dra slutsatser om hur klustren rör sig. Bild: Lucy Reading / Simons Foundation
Att förstå universums ”hastighetsgränser”
Universums galaxer – av vilka det finns mer än 200 miljarder – rör sig inte på det sätt som gravitationen ensam säger att de borde.
Enligt Newtons logik borde stjärnor som ligger längre bort från en galaxs centrum kretsa långsammare. Istället ser astronomerna det motsatta. De yttersta regionerna rör sig mycket snabbare än vad synlig materia kan förklara. Samma avvikelse förekommer i galaxkluster, där hela galaxer rör sig för snabbt för sin massa.
”Det är den centrala gåtan”, förklarar Gallardo. ”Antingen beter sig gravitationen annorlunda i mycket stora skalor, eller så innehåller universum ytterligare materia som vi inte kan se direkt.”
Att testa gravitationen över hela kosmos
För att testa detta vände sig forskarna till ACT:s observationer av ett ljus som släpptes ut cirka 380 000 år efter Big Bang och som sedan dess har färdats genom universum, känt som den kosmiska mikrovågsbakgrunden.
När detta uråldriga ljus passerar genom massiva galaxkluster förändras det subtilt av deras rörelse och lämnar svaga avtryck som astronomer kan upptäcka. Genom att tolka dessa förvrängningar och mäta dessa rörelser över hundratusentals kluster som är åtskilda av tiotals miljoner ljusår kunde forskarna fastställa hur starkt gravitationen påverkar de största strukturerna i kosmos. Om modifierade gravitationsteorier som MOND var korrekta skulle mätningarna visa en flackare avtagande gravitation.
I stället hamnade resultaten nästan exakt där både Newtons och Einsteins teorier överensstämmer.
Eftersom den förutsägelsen stämmer kan problemet med den saknade massan inte förklaras genom att förändra gravitationen i sig, vilket stärker argumentet att en osynlig komponent – mörk materia – måste stå för den extra dragkraften.
Mysteriet med mörk materia
Att förstå vad mörk materia egentligen är förblir en av de största utmaningarna inom modern fysik.
”Denna studie stärker bevisen för att universum innehåller en komponent av mörk materia”, säger Gallardo. ”Men vi vet fortfarande inte vad den komponenten består av.”
Framtida observationer av CMB och större galaxundersökningar kommer att göra det möjligt för fysiker och astronomer att testa gravitationen ännu mer exakt.
”Med så många obesvarade frågor förblir gravitationen ett av de mest fascinerande forskningsområdena. Det är ett naturligt attraktivt fält”, skrattar Gallardo.
Publikationsuppgifter
Anonym, Test av gravitationslagen på kosmologisk skala med hjälp av den kinematiska Sunyaev-Zeldovich-effekten, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/rk8v-rcm3
