Bevegelsene til galaksehoper langt ute i det fjerne universet har nå gitt den mest storskala testen til dags dato av gravitasjonslovene. Over avstander som strekker seg over hundrevis av millioner lysår ser gravitasjonen fortsatt ut til å oppføre seg slik Isaac Newton beskrev i sin universelle gravitasjonslov.
I korte trekk sier loven at alle partikler i universet trekker på hverandre med en kraft som øker med massen, men avtar med kvadratet av avstanden mellom dem. At dette mønsteret også ser ut til å holde for galaksehoper milliarder av lysår unna, styrker dagens forståelse av gravitasjon. Samtidig gir det økt tyngde til forklaringen om at en ukjent, usynlig massekomponent kan påvirke universet: mørk materie.
– Det er bemerkelsesverdig at invers-kvadrat-loven, foreslått av Newton på 1600-tallet og senere innlemmet i Einsteins generelle relativitetsteori, fortsatt står seg på 2000-tallet, sier kosmologen Patricio Gallardo ved University of Pennsylvania.
Når forskere kartlegger universet, dukker det opp en vedvarende uoverensstemmelse. Ut fra hvor mye vanlig, såkalt baryonisk materie som finnes – altså stoffet alt vi kan se består av, som stjerner, galakser, sorte hull, planeter, støv og også oss – skulle himmellegemer og lys bevege seg på en bestemt måte. Men observasjonene passer ikke helt.
Galakser roterer raskere enn de burde dersom bare synlig masse teller. Lys som reiser gjennom universet blir bøyd og påvirket av romtidens krumning mer enn hva baryonisk materie alene kan forklare. Galaksehoper som i teorien burde ha revet seg løs fra hverandre, holder seg likevel samlet. Også små variasjoner i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen peker i retning av at det meste av universets materie ikke er synlig.
To hovedforklaringer konkurrerer om å løse dette. Den ene er mørk materie, noe som ikke kan påvises direkte, men som ser ut til å påvirke den synlige delen av universet gjennom gravitasjon. Basert på ulike målinger anslås det at om lag 85 prosent av all materie i universet kan være mørk.
Den andre muligheten er at noe mangler i selve gravitasjonsbeskrivelsen, først formulert av Newton og senere videreutviklet av Albert Einstein.
– Det er kjernen i gåten. Enten oppfører gravitasjonen seg annerledes på svært store skalaer, eller så inneholder universet ekstra materie vi ikke kan se direkte, sier Gallardo.
Forskergruppen valgte å teste alternativet om endret gravitasjon ved å måle hastighetene til fjerne galaksehoper i et område av universet rundt 5 til 7 milliarder lysår unna. Utvalget omfatter omtrent 686.000 galakser, der mange inngår i galaksehoper som er bundet sammen og beveger seg mot hverandre på grunn av gravitasjon.
For å beregne hastighetene brukte forskerne den kinematiske Sunyaev-Zeldovich-effekten. Den kosmiske mikrobølgebakgrunnen er reststrålingen fra tidlig i universets historie og finnes i alle retninger. På veien mot oss passerer denne strålingen ofte gjennom enorme skyer av varm gass rundt galaksehoper.
Dersom en galaksehop står stille, påvirkes strålingen lite. Men dersom hopen beveger seg, kan fotoner fra mikrobølgebakgrunnen spres av frie elektroner i gassen, noe som gir en liten forskyvning i signalet. Ved å måle hvor stor denne forskyvningen er, kan forskerne anslå hvor raskt galaksehopen beveget seg da lyset passerte.
Hastighetene til galaksehoper som trekker mot hverandre kan deretter brukes til å si noe om massene som er involvert og hvordan gravitasjonskreftene virker over enorme avstander. Dersom gravitasjonsteoriene måtte justeres, ville man forvente at gravitasjonskraften var sterkere enn antatt på store avstander, altså at den svekket seg langsommere med økende avstand.
Det forskerne fant, var det motsatte: gravitasjonstrekket mellom galaksehoper avtar raskt når avstanden blir større, slik Newtons og Einsteins beskrivelser tilsier. Resultatet peker derfor mer i retning av at mørk materie er en bedre forklaring på de uforklarte gravitasjonseffektene enn at gravitasjonsloven må endres.
Likevel gjenstår det store spørsmål.
– Denne studien styrker bevisene for at universet inneholder en komponent av mørk materie, men vi vet fortsatt ikke hva den komponenten består av, sier Gallardo.
Forskningsarbeidet er publisert i tidsskriftet Physical Review Letters.
