Uit een recent onderzoek van de Universiteit van Pennsylvania in de Verenigde Staten blijkt dat onderzoekers de Atacama Kosmologische Telescoop hebben gebruikt om de meest uitgebreide zwaartekrachttest tot nu toe uit te voeren op clusters van sterrenstelsels die honderden miljoenen lichtjaren van elkaar verwijderd zijn. Uit de resultaten bleek dat op de ultragrote schaal van het universum de manier waarop de zwaartekracht verzwakt met de afstand nog steeds consistent is met de omgekeerde kwadratenwet voorgesteld door Newton en later overgenomen en ontwikkeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Dit resultaat biedt niet alleen nieuwe steun voor het standaard kosmologische model, maar versterkt ook de bewijsketen voor ‘het werkelijke bestaan ​​van donkere materie’.


Het onderzoeksteam wees erop dat zwaartekrachtverschijnselen in het dagelijks leven misschien intuïtief lijken, zoals appels die op de grond vallen en planeten die rond de zon draaien, maar op kosmische schaal is de zwaartekracht altijd een van de meest kritische objecten voor het testen van fundamentele natuurkundige theorieën. Het bepaalt hoe sterrenstelsels ontstaan, hoe clusters van sterrenstelsels bewegen, en geeft ook vorm aan de grootschalige structuur van het hele universum. Astronomen worden echter al lang geconfronteerd met een probleem bij hun waarnemingen: veel sterren en sterrenstelsels bewegen aanzienlijk te snel, uitsluitend gebaseerd op de massa van de zichtbare materie, en het lijkt erop dat ze niet kunnen worden verklaard door de zwaartekracht die wordt gegenereerd door de bestaande zichtbare materie.

Kosmoloog Patricio A. Gallardo, een van de auteurs van het artikel, zei dat deze "enorme kloof in het kosmische grootboek" de astrofysica-gemeenschap al jaren zorgen baart. Of het nu gaat om de rotatie van sterren binnen sterrenstelsels of om de beweging van sterrenstelsels in clusters van sterrenstelsels, het is aangetoond dat sommige hemellichamen veel sneller bewegen dan de zichtbare materie toelaat. Geconfronteerd met deze tegenstrijdigheid stelt de wetenschappelijke gemeenschap gewoonlijk twee verklaringswegen voor: ten eerste is er een grote hoeveelheid onzichtbare donkere materie in het universum, die extra zwaartekracht aan deze hemellichamen geeft; ten tweede moet de bestaande zwaartekrachttheorie op zeer grote schaal worden aangepast.

Om te testen welke verklaring het dichtst bij de waarheid ligt, hebben de onderzoekers gebruik gemaakt van gegevens van de Atacama Kosmologische Telescoop. De telescoop, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania, is een observatieapparaat van ongeveer drie tot vier verdiepingen hoog. Het wordt voornamelijk gebruikt om de kosmische microgolfachtergrondstraling te meten, het zwakke nagloeien dat overblijft na de oerknal. Het onderzoeksteam concentreerde zich op het analyseren van de subtiele veranderingen die worden veroorzaakt door dit oude licht dat door enorme clusters van sterrenstelsels gaat, waardoor de bewegingstoestand van clusters van sterrenstelsels wordt afgeleid wanneer ze dicht bij elkaar zijn, en het verder testen van de werkelijke sterkte van de zwaartekracht op ultragrote schaal.

De kosmische achtergrondstraling ontstond ongeveer 380.000 jaar na de oerknal en vult het hele universum. Terwijl deze lichtstralen door gebieden van clusters van sterrenstelsels gaan die heet gas bevatten, ervaren ze extreem zwakke maar meetbare vervormingen als gevolg van de beweging van de cluster. Door dit signaal te analyseren hebben onderzoekers statistische studies uitgevoerd op honderdduizenden clustermonsters van sterrenstelsels die tientallen miljoenen of zelfs honderden miljoenen lichtjaren bestrijken om te bepalen of de zwaartekracht nog steeds vervalt met de afstand, zoals voorspeld door de klassieke theorie.

De resultaten laten zien dat de observatiegegevens in hoge mate consistent zijn met de voorspellingen van Newtons theorie en Einsteins algemene relativiteitstheorie. Als alternatieve theorieën zoals Modified Newtonian Dynamics (MOND) correct zijn, dan zou het patroon van het verval van de zwaartekracht op zeer grote schaal moeten afwijken van de traditionele theoretische verwachtingen; bij deze meting werd een dergelijke afwijking echter niet gedetecteerd. De onderzoekers zijn daarom van mening dat er, althans op de kosmische schalen die momenteel worden getest, geen bewijs is dat wijzigingen in de wetten van de zwaartekracht nodig zijn om de waarnemingen te verklaren.

Gallardo zei dat het verrassend is dat de inverse kwadratenwet die Newton in de 17e eeuw voorstelde, nog steeds houdbaar is op zo'n grote schaal van het universum nadat hij de 21e eeuw is binnengegaan. Toen Newton deze wet besprak, concentreerde hij zich vooral op de beweging van hemellichamen binnen het zonnestelsel. Tegenwoordig hebben wetenschappers dit principe uitgebreid en getest tot afstandsschalen en massaschalen die in zijn tijd ondenkbaar waren.

Onderzoekers wezen erop dat dit betekent dat het probleem van de "ontbrekende massa" moeilijker te verklaren is met het "falen van de zwaartekrachttheorie", maar ondersteunt verder het bestaan ​​van een materiële component in het universum die niet direct is waargenomen, namelijk donkere materie. Met andere woorden: als de zwaartekracht zelf zich op grote schaal niet abnormaal gedraagt, is de kans groter dat de extra zwaartekrachteffecten in sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels voortkomen uit onzichtbare massabronnen dan uit het herschrijven van fysische wetten.

Het onderzoek benadrukt echter ook dat de ware aard van donkere materie een van de belangrijkste onopgeloste problemen in de moderne natuurkunde blijft. Dit werk versterkt het bewijsmateriaal voor ‘donkere materie als een van de componenten van het universum’, maar geeft geen antwoord op de vraag waaruit het eigenlijk bestaat. In de toekomst, naarmate de nauwkeurigheid van waarnemingen van de kosmische achtergrondstraling verder wordt verbeterd en grootschalige onderzoeksprojecten voor sterrenstelsels zich blijven ontwikkelen, wordt van wetenschappers verwacht dat ze nauwkeurigere tests zullen uitvoeren op de wetten van de zwaartekracht en donkere materie.

Dit onderzoeksartikel is getiteld "Testing the Law of Gravitation at the Cosmological Scale Using the Kinematic Sunyaev-Zeldovich Effect" en werd op 15 april 2026 gepubliceerd in "Physical Review Letters". Het onderzoek werd voltooid in samenwerking met wetenschappers als P. A. Gallardo, en het project kreeg ook steun van de National Science Foundation en andere instellingen.