آزمون کیهانی گرانش در مقیاس‌های کهکشانی، نظریه‌های گرانش اصلاح‌شده را قاطعانه رد می‌کند و فرضیه ماده تاریک را تقویت می‌نماید

در گستره ۷۵۰ میلیون سال نوری از فضای خالی، گرانش همچنان از قانونی پیروی می‌کند که در قرن هفدهم تدوین شده است. یک تیم بین‌المللی از اخترفیزیکدانان با ردیابی حرکت تقریباً ۳۰۰,۰۰۰ خوشه کهکشانی، بزرگترین آزمون مستقیم قانون نیروی گرانش در مقیاس بزرگ را تا به امروز انجام داده‌اند. نتایج، که در نشریه «نامه‌های بازنگری فیزیکی» (Physical Review Letters) منتشر شده، نشان می‌دهد که قدرت گرانش تقریباً دقیقاً همان‌طور که آیزاک نیوتن و آلبرت اینشتین پیش‌بینی کرده بودند، با فاصله ضعیف می‌شود. این تأیید، محدودیت‌های جدی جدیدی را بر نظریه‌های جایگزین گرانش اعمال می‌کند؛ نظریه‌هایی که مدت‌هاست به دنبال توضیح جرم گمشده کیهان بدون توسل به ماده تاریک نامرئی بوده‌اند.[1][2][3][4][5][8]

برای اندازه‌گیری گرانش در چنین فواصل عظیمی، محققان نمی‌توانند صرفاً سقوط اجرام را تماشا کنند. در عوض، آن‌ها به اثر کینماتیک سونیائف-زلدوویچ (kSZ) متکی هستند. کیهان مملو از پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) است، یعنی تابش ضعیفی که از انفجار بزرگ باقی مانده است. هنگامی که این فوتون‌های باستانی در فضا حرکت می‌کنند، گهگاه از الکترون‌های آزاد موجود در گاز داغ اطراف خوشه‌های کهکشانی عظیم پراکنده می‌شوند. اگر یک خوشه نسبت به انبساط کیهان در حال حرکت باشد، این پراکندگی یک تغییر دمایی بسیار جزئی به فوتون‌های CMB منتقل می‌کند.[1][4][6][7]

ستاره‌شناسان با نقشه‌برداری از این اعوجاج‌های دمایی میکروسکوپی، با استفاده از تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما که در ارتفاعات آند شیلی قرار دارد، می‌توانند حرکت خط دید خوشه‌های کهکشانی دوردست را تعیین کنند. تیم تحقیقاتی این نقشه‌های شدت CMB را با یک کاتالوگ عظیم از کهکشان‌ها که از «بررسی آسمان دیجیتال اسلون» (Sloan Digital Sky Survey) به دست آمده بود، ترکیب کردند. این کار به آن‌ها اجازه داد تا «سرعت جفتی» خوشه‌ها را محاسبه کنند—اساساً اندازه‌گیری کنند که این ساختارهای عظیم با چه سرعتی تحت جاذبه گرانشی متقابل به سمت یکدیگر سقوط می‌کنند.[1][2][3][6][7]

این داده‌ها یک اندازه‌گیری مستقیم از نحوه مقیاس‌بندی شتاب گرانشی با جدایی در فواصلی بین ۳۰ تا ۲۳۰ مگاپارسِک، یا تقریباً ۱۰۰ میلیون تا ۷۵۰ میلیون سال نوری، ارائه داد. در فیزیک استاندارد، گرانش از قانون عکس مجذور پیروی می‌کند، به این معنی که قدرت آن متناسب با مجذور فاصله بین اجرام کاهش می‌یابد. محققان دریافتند که شاخص کاهش گرانشی در این مقیاس‌های کیهانی ۲.۱ است، با حاشیه خطای ۰.۳. این نتیجه به طرز چشمگیری با مقدار استاندارد مورد انتظار یعنی ۲ سازگار است.[1][2][4][6][7][8]

این اندازه‌گیری مستقیماً به یکی از عمیق‌ترین اسرار اخترفیزیک مدرن ضربه می‌زند: مسئله جرم گمشده. برای دهه‌ها، مشاهدات نشان داده‌اند که ستارگان در لبه‌های کهکشان‌ها، و کهکشان‌ها در داخل خوشه‌ها، بسیار سریع‌تر از آن حرکت می‌کنند که صرفاً توسط کشش گرانشی ماده مرئی در کنار هم نگه داشته شوند. مدل استاندارد کیهان‌شناسی، معروف به «لامبدا-سی‌دی‌ام» (Lambda-CDM)، این مشکل را با فرض اینکه کیهان مملو از ماده تاریک سرد و نامرئی است که گرانش اضافی لازم را فراهم می‌کند، حل می‌کند.[1][3][4][5]

با این حال، اقلیتی از فیزیکدانان مدت‌هاست که برای راه‌حل متفاوتی استدلال می‌کنند: اصلاح قوانین گرانش. نظریه‌هایی مانند «دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده» (MOND) پیشنهاد می‌کنند که در شتاب‌های بسیار پایین—مانند آنچه در نواحی بیرونی کهکشان‌ها یا در فضاهای خالی وسیع بین خوشه‌ها یافت می‌شود—گرانش به سرعت قانون عکس مجذور ضعیف نمی‌شود. اگر نظریه‌های ساده شبیه به موند صحیح بودند، سرعت جفتی خوشه‌های کهکشانی که توسط تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما اندازه‌گیری شد، باید کاهش گرانشی ملایم‌تری را نشان می‌داد که نزدیک‌تر به شاخص ۱ بود.[1][2][3][8]

داده‌های جدید به شدت با آن کاهش ملایم‌تر مخالف است. از آنجایی که خوشه‌ها دقیقاً همان‌طور که گرانش استاندارد پیش‌بینی می‌کند به سمت یکدیگر سقوط می‌کنند، نمی‌توان جرم گمشده را صرفاً با تغییر قانون نیروی شعاعی دوربرد توضیح داد. محققان نتیجه می‌گیرند که معادلات بنیادی گرانش در بزرگترین مقیاس‌ها دچار فروپاشی نمی‌شوند و عملاً راه را بر مدل‌های ساده گرانش اصلاح‌شده که تلاش می‌کنند ماده تاریک را با یک مقیاس‌بندی فاصله اصلاح‌شده جایگزین کنند، می‌بندند.[1][2][4][7]

با وجود استحکام این یافته، شواهد به طور قطعی وجود ذره ماده تاریک را اثبات نمی‌کند. اثر کینماتیک سونیائف-زلدوویچ حرکت را اندازه‌گیری می‌کند، نه ترکیب میکروسکوپی را. در حالی که نتایج کاملاً با پیش‌بینی‌های کیهانی پر از ماده تاریک سرد مطابقت دارد، از لحاظ نظری می‌توانند توسط چارچوب‌های گرانش اصلاح‌شده نسبیتی بسیار پیچیده یا مدل‌های بخش تاریک در حال تعامل نیز بازتولید شوند، مشروط بر اینکه آن نظریه‌های جایگزین در مقیاس‌های کیهان‌شناختی بزرگ به یک قانون مؤثر عکس مجذور تبدیل شوند.[6][7]

حاشیه خطای فعلی پنجره کوچکی را برای فیزیک‌های عجیب و غریب باقی می‌گذارد، اما این پنجره به سرعت در حال بسته شدن است. تیم تحقیقاتی اشاره می‌کند که در حالی که این مطالعه از ۳۰۰,۰۰۰ کهکشان استفاده کرده است، بررسی‌های نجومی آتی به زودی کاتالوگ‌هایی از ۱۰ میلیون کهکشان یا بیشتر را فراهم خواهند کرد. با افزایش حجم نمونه‌ها، دقت آماری اندازه‌گیری‌های سرعت جفتی افزایش می‌یابد و به طور بالقوه حتی پیچیده‌ترین مدل‌های گرانش جایگزین را نیز رد می‌کند و نقش ماده تاریک را به عنوان معمار نامرئی کیهان تثبیت می‌نماید.[1][2][7]