La mai bine de trei secole după ce Isaac Newton a formulat legea gravitației, cosmologii au fost nevoiți să o confirme din nou folosind cele mai mari obiecte detectabile din univers. Faimoasa lege a fost mult timp supusă diferitelor verificări prin experimente de laborator și în cadrul sistemului solar. Însă într-un nou studiu publicat în revista Physical Review Letters, se pare că rezistă și acum, fiind dovedit aplicabilă și la cea mai mare scară posibilă: roiuri de galaxii aflate la sute de milioane de ani lumină distanță.

"Știm că legea se aplică cu o precizie incredibilă pe Pământ și în galaxii individuale. Acum o testăm la scări cosmologice", spune Priyamvada Natarajan, astrofizician la Yale. Rezultatul nu este surprinzător, dar restrânge posibilitățile unei teorii alternative, dinamica newtoniană modificată (MOND), care încearcă să explice forța care ține galaxiile împreună ca fiind gravitație și nu materia întunecată.

Legea lui Newton afirmă că forța gravitațională dintre două obiecte masive este invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. Folosind această formulă, publicată în 1687 în Principia Mathematica, Newton a fost capabil să explice pe loc orbitele planetelor cuantificate de cele trei legi empirice ale mișcării planetare ale lui Johannes Kepler. Un secol mai târziu, Henry Cavendish a confirmat legea în condiții de laborator prin agățarea unei greutăți mici pe un fir subțire și aplicarea altor greutăți la capetele firului. Măsurând răsucirea firului, a descoperit cum mica atracție gravitațională dintre greutăți varia în funcție de distanța dintre ele. În prezent fizicienii crează versiuni mai sofisticate ale experimentului lui Cavendish pentru a căuta abateri de la această lege, care ar putea dezvălui forțe noi cu distanțe mai mici.

Cercetătorii de la Telescopul Cosmologic Atacama (ACT) din Chile au extins aceste studii la cele mai mari scări posibile. "Grupurile de galaxii sunt literalmente cele mai mari structuri din univers", spune autorul principal al lucrării, Patricio Gallardo, cosmolog ACT la Universitatea din Pennsylvania. Aceste roiuri pot conține sute de galaxii, legate între ele prin gravitație reciprocă. Masa unui roi poate fi de cvadrilioane de ori mai mare decât cea a Soarelui și se poate întinde pe zeci de milioane ani lumină.

Cercetătorii au studiat forța asupra a sute de mii de roiuri, combinând măsurători statistice separate ale poziției și vitezei lor de mișcare. La fel cum planetele aflate mai aproape de Soare se mișcă mai repede, două roiuri aflate aproape una de cealaltă se mișcă mai repede față de restul, spune coautorul studiului Kris Pardo, cosmolog la Universitatea din California de Sud. Astfel, modul în care viteza relativă a oricăror două roiuri variază în funcție de distanța dintre ele este un test al naturii gravitației.

Dar acest lucru nu este ușor de măsurat. Acest lucru se datorează faptului că vitezele relative a două roiuri depind nu numai de atracția gravitațională pe care o generează ele însele, ci și de gravitația celor din jur. Pentru a lua în considerare acest factor complex, cercetătorii au extras mai întâi informații privind distribuția spațială a galaxiilor din datele de la Sloan Digital Sky Survey, care a cartografiat milioane de galaxii începând din 2000. La această distribuție spațială, au aplicat o lege de putere generalizată cu parametri ajustabili pentru a prezice modul în care viteza relativă a perechilor de roiuri de galaxii variază în funcție de distanță.

Cercetătorii au comparat apoi predicția cu datele privind viteza înregistrată de ACT între 2007 și 2022. ACT a măsurat radiația cosmică de fond cu microunde (CMB) după Big Bang și a fost un instrument deosebit de bun pentru detectarea roiurilor de galaxii. Atunci când fotonii din CMB trec printr-un roi de galaxii, aceștia se ciocnesc cu electronii din roi și câștigă sau pierd energie în funcție de apropierea sau îndepărtarea roiului de Pământ (efectul cinematic Sunyaev-Zeldovich). Acest fenomen facilitează detectarea roiurilor și oferă informații despre a viteza lor.

Pentru a evita efectele perturbatoare ale expansiunii Universului și ale energiei întunecate care dilată spațiul, cercetătorii s-au concentrat asupra roiurilor aflate la o distanță de 5,6-7,7 miliarde ani lumină, creând astfel instantanee ale trecutului cosmic. Echipa a reușit să studieze accelerații la fel de mici ca o miliardime din gravitația Pământului. Iar la distanțe cuprinse între 80 și 800 milioane de ani-lumină, forța gravitațională s-a comportat exact așa cum descrie legea gravitației al lui Newton.

O validare atât de clară a legii lui Newton indică că MOND a devenit cel mai probabil model aplicabil pe moment. Teoria propusă în anii 1980 ca alternativă la materia întunecată nu schimbă legea gravitației a lui Newton, ci modifică a doua lege a mișcării a lui Newton - forța egală cu masa înmulțită cu accelerația - pentru accelerații extrem de mici. Dar dacă MOND ar fi exact, atunci la cele mai mari scări gravitația ar varia proporțional cu distanța, nu cu pătratul distanței. MOND a întâmpinat deja dificultăți în a descrie evoluția universului, iar noile date îl fac și mai problematic, spune Gallardo.

Poate mai important, studiul oferă o demonstrație excelentă a potențialului de măsurare a vitezei folosind efectul kinematic Sunyaev-Zeldovich, spune Pardo. Succesorul ACT, un sistem de telescoape cu microunde numit Observatorul Simons, a început deja să colecteze date în acest sens. Va măsura efectul în cauză cu o precizie mult mai mare, oferind un nou instrument pentru găsirea energiei întunecate și a observării expansiunii universului, spune el.