Durch die Untersuchung von Galaxienhaufen, die Hunderte Millionen Lichtjahre voneinander entfernt sind, zeigen der Penn-Physiker Patricio Gallardo und seine Mitarbeiter, dass die von Newton und Einstein beschriebenen Gesetze der Schwerkraft immer noch gelten, und liefern damit starke Beweise dafür, dass unsichtbare dunkle Materie existiert.
Die Schwerkraft mag im Alltag einfach erscheinen. Lass einen Apfel fallen und er fällt. Auf kosmischen Skalen wird die Schwerkraft jedoch zu einem der größten Belastungstests für die Wissenschaft. Es bestimmt den Aufstieg von Galaxien, das Verhalten von Galaxienhaufen und die Gesamtarchitektur des Universums, doch einige Bewegungen des Universums stimmen immer noch nicht.
Dieses langjährige Missverhältnis war der AuslöserDer Kosmologe Patricio A. Gallardo und seine Mitarbeiter stellten eine grundlegende, aber tiefgreifende Frage: Was wäre, wenn sich die Schwerkraft selbst über die größten Entfernungen im Universum anders verhält?
„Die Astrophysik wurde von einer massiven Diskrepanz im kosmischen Hauptbuch geplagt“, sagt Gallardo. „Wenn wir uns ansehen, wie Sterne innerhalb von Galaxien kreisen oder wie sich Galaxien innerhalb von Galaxienhaufen bewegen, scheinen sich einige viel zu schnell zu bewegen für die Menge an sichtbarer Materie, die sie enthalten.“
Diese Diskrepanz führt zu zwei möglichen Erklärungen. Entweder sind große Mengen unsichtbarer „dunkler Materie“ vorhanden, die den Gravitationseinfluss erhöhen, oder „die Grundgleichungen für die Schwerkraft müssen geändert werden“.
Mithilfe von Daten des Atacama Cosmology Telescope (ACT), einem etwa drei bis vier Stockwerke hohen Instrument, das größtenteils von Penn-Forschern unter der Leitung von Mark Devlin entwickelt wurde, haben Gallardo und seine Mitarbeiter nun einen Schwerkrafttest in beispiellosem Ausmaß durchgeführt. Sie untersuchten Galaxienhaufen, die Hunderte Millionen Lichtjahre voneinander entfernt waren, was dies zum bislang umfangreichsten Test der Schwerkraft machte.
Ihre Ergebnisse, veröffentlicht inBriefe zur körperlichen Untersuchungzeigen, dass die Gravitationsstärke mit der Entfernung abnimmt, was den Vorhersagen von Newton entspricht und später in Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie integriert wurde.
„Es ist bemerkenswert, dass das Gesetz der Umkehrung der Quadrate – das von Newton im 17. Jahrhundert vorgeschlagen und dann in Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie integriert wurde – auch im 21. Jahrhundert seine Gültigkeit behält“, sagt Gallardo.
Diese Erkenntnisse untermauern ein zentrales Prinzip der modernen Kosmologie. Durch die Bestätigung, dass sich die Schwerkraft auch über große Entfernungen zwischen Galaxienhaufen wie erwartet verhält, stärken die Ergebnisse das Standardmodell der Kosmologie. Sie stellen auch alternative Ideen wie die modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) in Frage, die versuchen, kosmisches Verhalten durch eine Änderung der Gesetze der Schwerkraft zu erklären.
Als Newton erstmals die umgekehrte quadratische Beziehung beschrieb, konzentrierte er sich auf Bewegungen innerhalb des Sonnensystems. Heute wurde dasselbe Prinzip über Entfernungen und Massen getestet, die „zu Newtons Zeiten unvorstellbar waren“, sagt Gallardo.
Die „Geschwindigkeitsbegrenzungen“ des Universums verstehen
Galaxien, von denen es mehr als 200 Milliarden gibt, verhalten sich nicht wie erwartet, wenn man nur sichtbare Materie berücksichtigt.
Basierend auf der Newtonschen Physik sollten Sterne, die weiter vom Zentrum einer Galaxie entfernt sind, langsamer umkreisen. Stattdessen zeigen Beobachtungen, dass sich diese äußeren Regionen schneller bewegen als vorhergesagt. Ein ähnliches Muster zeigt sich in Galaxienhaufen, wo sich ganze Galaxien mit Geschwindigkeiten bewegen, die nicht durch die sichtbare Masse erklärt werden können.
„Das ist das zentrale Rätsel“, erklärt Gallardo. „Entweder verhält sich die Schwerkraft auf sehr großen Skalen anders, oder das Universum enthält zusätzliche Materie, die wir nicht direkt sehen können.“
Testen der Schwerkraft im gesamten Kosmos
Um diese Frage zu untersuchen, verwendeten die Forscher Daten von ACT, die das etwa 380.000 Jahre nach dem Jahr emittierte Licht verfolgenUrknall, bekannt als kosmischer Mikrowellenhintergrund.
Während dieses uralte Licht Galaxienhaufen passiert, wird sein Weg auf subtile Weise von deren Bewegung beeinflusst und hinterlässt erkennbare Signaturen. Durch die Analyse dieser Effekte in Hunderttausenden von Clustern, die sich über mehrere zehn Millionen Lichtjahre verteilen, konnten die Forscher bestimmen, wie die Schwerkraft auf die größten bekannten Strukturen wirkt. Wenn alternative Theorien wie MOND richtig wären, würde das Muster der Gravitationsabschwächung von etablierten Vorhersagen abweichen.
Stattdessen entsprachen die Messungen weitgehend den Erwartungen sowohl von Newtons als auch von Einsteins Systemen.
Da sich die Schwerkraft wie vorhergesagt verhält, kann das Problem der fehlenden Masse nicht durch eine Änderung der Gravitationsgesetze erklärt werden. Dies stärkt das Argument, dass eine unsichtbare Form der Materie, die Dunkle Materie, für die zusätzlichen Gravitationseffekte verantwortlich ist.
Das Geheimnis der Dunklen Materie
Die Bestimmung der wahren Natur der Dunklen Materie bleibt eine der bedeutendsten offenen Fragen der Physik.
„Diese Studie stärkt den Beweis, dass das Universum einen Bestandteil dunkler Materie enthält“, sagt Gallardo. „Aber wir wissen immer noch nicht, woraus diese Komponente besteht.“
Zukünftige Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und erweiterte Galaxiendurchmusterungen werden voraussichtlich noch genauere Tests der Schwerkraft liefern.
„Bei so vielen unbeantworteten Fragen bleibt die Schwerkraft eines der faszinierendsten Forschungsgebiete. Es ist ein von Natur aus attraktives Feld“, kichert Gallardo.
Referenz: „Test des Gravitationskraftgesetzes auf kosmologischen Skalen unter Verwendung des kinematischen Sunyaev-Zeldovich-Effekts“ von P. A. Gallardo, K. Pardo, O. H. E. Philcox, N. Battaglia, E. S. Battistelli, R. Calabrese, E. K. Choanse, Choanse. M. Devlin, J. Dunkley, R. Dünner, S. Ferraro, Y. Guan, E. Healy, C. Hervías-Caimapo, M. Hilton, A. D. Hincks, J. C. Hood, II, A. Kosowsky, A. La Posta, T. Louis, M. S. M. McMahon, J. Moodley, K. McMahon. T. Mroczkowski, S. Naess, L. Newburgh, M. D. Niemack, L. A. Page, B. Partridge, R. Puddu, E. Schaan, N. Sehgal, C. Sifón, D. N. Spergel, S. T. Staggs, A. van Engelen, C. V M. K. Waggoner und E. J. Wollack, 15. April 2026,Briefe zur körperlichen Untersuchung.
DOI: 10.1103/rk8v-rcm3
Das Atacama Cosmology Telescope (ACT)-Projekt wird hauptsächlich von der U.S. National Science Foundation durch die Auszeichnungen AST-0408698, AST-0965625 und AST-1440226 für das ACT-Projekt sowie PHY-0355328, PHY-0855887 und PHY-1214379 unterstützt. Zusätzliche Mittel wurden bereitgestellt vonPrinceton-Universität, der University of Pennsylvania, und ein Preis der Canada Foundation for Innovation (CFI) an die University of British Columbia. Die Entwicklung multichromatischer ACT-Detektoren und -Linsen wurde unterstützt vonNASAZuschüsse NNX13AE56G und NNX14AB58G, und die Detektorforschung am National Institute of Standards and Technology (NIST) wurde durch das NIST-Programm Innovations in Measurement Science unterstützt.
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Durch die Untersuchung von Galaxienhaufen, die Hunderte Millionen Lichtjahre voneinander entfernt sind, zeigen der Penn-Physiker Patricio Gallardo und seine Mitarbeiter, dass die von Newton und Einstein beschriebenen Gesetze der Schwerkraft immer noch gelten, und liefern damit starke Beweise dafür, dass unsichtbare dunkle Materie existiert.
Die Schwerkraft mag im Alltag einfach erscheinen. Lass einen Apfel fallen und er fällt. Auf kosmischen Skalen wird die Schwerkraft jedoch zu einem der größten Belastungstests für die Wissenschaft. Es bestimmt den Aufstieg von Galaxien, das Verhalten von Galaxienhaufen und die Gesamtarchitektur des Universums, doch einige Bewegungen des Universums stimmen immer noch nicht.
Dieses langjährige Missverhältnis war der AuslöserDer Kosmologe Patricio A. Gallardo und seine Mitarbeiter stellten eine grundlegende, aber tiefgreifende Frage: Was wäre, wenn sich die Schwerkraft selbst über die größten Entfernungen im Universum anders verhält?
„Die Astrophysik wurde von einer massiven Diskrepanz im kosmischen Hauptbuch geplagt“, sagt Gallardo. „Wenn wir uns ansehen, wie Sterne innerhalb von Galaxien kreisen oder wie sich Galaxien innerhalb von Galaxienhaufen bewegen, scheinen sich einige viel zu schnell zu bewegen für die Menge an sichtbarer Materie, die sie enthalten.“
Diese Diskrepanz führt zu zwei möglichen Erklärungen. Entweder sind große Mengen unsichtbarer „dunkler Materie“ vorhanden, die den Gravitationseinfluss erhöhen, oder „die Grundgleichungen für die Schwerkraft müssen geändert werden“.
Mithilfe von Daten des Atacama Cosmology Telescope (ACT), einem etwa drei bis vier Stockwerke hohen Instrument, das größtenteils von Penn-Forschern unter der Leitung von Mark Devlin entwickelt wurde, haben Gallardo und seine Mitarbeiter nun einen Schwerkrafttest in beispiellosem Ausmaß durchgeführt. Sie untersuchten Galaxienhaufen, die Hunderte Millionen Lichtjahre voneinander entfernt waren, was dies zum bislang umfangreichsten Test der Schwerkraft machte.
Ihre Ergebnisse, veröffentlicht inBriefe zur körperlichen Untersuchungzeigen, dass die Gravitationsstärke mit der Entfernung abnimmt, was den Vorhersagen von Newton entspricht und später in Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie integriert wurde.
„Es ist bemerkenswert, dass das Gesetz der Umkehrung der Quadrate – das von Newton im 17. Jahrhundert vorgeschlagen und dann in Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie integriert wurde – auch im 21. Jahrhundert seine Gültigkeit behält“, sagt Gallardo.
Diese Erkenntnisse untermauern ein zentrales Prinzip der modernen Kosmologie. Durch die Bestätigung, dass sich die Schwerkraft auch über große Entfernungen zwischen Galaxienhaufen wie erwartet verhält, stärken die Ergebnisse das Standardmodell der Kosmologie. Sie stellen auch alternative Ideen wie die modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) in Frage, die versuchen, kosmisches Verhalten durch eine Änderung der Gesetze der Schwerkraft zu erklären.
Als Newton erstmals die umgekehrte quadratische Beziehung beschrieb, konzentrierte er sich auf Bewegungen innerhalb des Sonnensystems. Heute wurde dasselbe Prinzip über Entfernungen und Massen getestet, die „zu Newtons Zeiten unvorstellbar waren“, sagt Gallardo.
Die „Geschwindigkeitsbegrenzungen“ des Universums verstehen
Galaxien, von denen es mehr als 200 Milliarden gibt, verhalten sich nicht wie erwartet, wenn man nur sichtbare Materie berücksichtigt.
Basierend auf der Newtonschen Physik sollten Sterne, die weiter vom Zentrum einer Galaxie entfernt sind, langsamer umkreisen. Stattdessen zeigen Beobachtungen, dass sich diese äußeren Regionen schneller bewegen als vorhergesagt. Ein ähnliches Muster zeigt sich in Galaxienhaufen, wo sich ganze Galaxien mit Geschwindigkeiten bewegen, die nicht durch die sichtbare Masse erklärt werden können.
„Das ist das zentrale Rätsel“, erklärt Gallardo. „Entweder verhält sich die Schwerkraft auf sehr großen Skalen anders, oder das Universum enthält zusätzliche Materie, die wir nicht direkt sehen können.“
Testen der Schwerkraft im gesamten Kosmos
Um diese Frage zu untersuchen, verwendeten die Forscher Daten von ACT, die das etwa 380.000 Jahre nach dem Jahr emittierte Licht verfolgenUrknall, bekannt als kosmischer Mikrowellenhintergrund.
Während dieses uralte Licht Galaxienhaufen passiert, wird sein Weg auf subtile Weise von deren Bewegung beeinflusst und hinterlässt erkennbare Signaturen. Durch die Analyse dieser Effekte in Hunderttausenden von Clustern, die sich über mehrere zehn Millionen Lichtjahre verteilen, konnten die Forscher bestimmen, wie die Schwerkraft auf die größten bekannten Strukturen wirkt. Wenn alternative Theorien wie MOND richtig wären, würde das Muster der Gravitationsabschwächung von etablierten Vorhersagen abweichen.
Stattdessen entsprachen die Messungen weitgehend den Erwartungen sowohl von Newtons als auch von Einsteins Systemen.
Da sich die Schwerkraft wie vorhergesagt verhält, kann das Problem der fehlenden Masse nicht durch eine Änderung der Gravitationsgesetze erklärt werden. Dies stärkt das Argument, dass eine unsichtbare Form der Materie, die Dunkle Materie, für die zusätzlichen Gravitationseffekte verantwortlich ist.
Das Geheimnis der Dunklen Materie
Die Bestimmung der wahren Natur der Dunklen Materie bleibt eine der bedeutendsten offenen Fragen der Physik.
„Diese Studie stärkt den Beweis, dass das Universum einen Bestandteil dunkler Materie enthält“, sagt Gallardo. „Aber wir wissen immer noch nicht, woraus diese Komponente besteht.“
Zukünftige Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und erweiterte Galaxiendurchmusterungen werden voraussichtlich noch genauere Tests der Schwerkraft liefern.
„Bei so vielen unbeantworteten Fragen bleibt die Schwerkraft eines der faszinierendsten Forschungsgebiete. Es ist ein von Natur aus attraktives Feld“, kichert Gallardo.
Referenz: „Test des Gravitationskraftgesetzes auf kosmologischen Skalen unter Verwendung des kinematischen Sunyaev-Zeldovich-Effekts“ von P. A. Gallardo, K. Pardo, O. H. E. Philcox, N. Battaglia, E. S. Battistelli, R. Calabrese, E. K. Choanse, Choanse. M. Devlin, J. Dunkley, R. Dünner, S. Ferraro, Y. Guan, E. Healy, C. Hervías-Caimapo, M. Hilton, A. D. Hincks, J. C. Hood, II, A. Kosowsky, A. La Posta, T. Louis, M. S. M. McMahon, J. Moodley, K. McMahon. T. Mroczkowski, S. Naess, L. Newburgh, M. D. Niemack, L. A. Page, B. Partridge, R. Puddu, E. Schaan, N. Sehgal, C. Sifón, D. N. Spergel, S. T. Staggs, A. van Engelen, C. V M. K. Waggoner und E. J. Wollack, 15. April 2026,Briefe zur körperlichen Untersuchung.
DOI: 10.1103/rk8v-rcm3
Das Atacama Cosmology Telescope (ACT)-Projekt wird hauptsächlich von der U.S. National Science Foundation durch die Auszeichnungen AST-0408698, AST-0965625 und AST-1440226 für das ACT-Projekt sowie PHY-0355328, PHY-0855887 und PHY-1214379 unterstützt. Zusätzliche Mittel wurden bereitgestellt vonPrinceton-Universität, der University of Pennsylvania, und ein Preis der Canada Foundation for Innovation (CFI) an die University of British Columbia. Die Entwicklung multichromatischer ACT-Detektoren und -Linsen wurde unterstützt vonNASAZuschüsse NNX13AE56G und NNX14AB58G, und die Detektorforschung am National Institute of Standards and Technology (NIST) wurde durch das NIST-Programm Innovations in Measurement Science unterstützt.
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