Eine kürzlich von der University of Pennsylvania in den Vereinigten Staaten veröffentlichte Studie zeigt, dass Forscher das Atacama Cosmological Telescope nutzten, um den bisher umfangreichsten Schwerkrafttest an Galaxienhaufen durchzuführen, die Hunderte Millionen Lichtjahre voneinander entfernt sind. Die Ergebnisse ergaben, dass die Art und Weise, wie die Schwerkraft mit der Entfernung abnimmt, im extrem großen Maßstab des Universums immer noch mit dem von Newton vorgeschlagenen und später von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie übernommenen und weiterentwickelten Gesetz des umgekehrten Quadrats übereinstimmt. Dieses Ergebnis liefert nicht nur neue Unterstützung für das kosmologische Standardmodell, sondern stärkt auch die Beweiskette für „die tatsächliche Existenz dunkler Materie“.
Das Forschungsteam wies darauf hin, dass Gravitationsphänomene im täglichen Leben intuitiv erscheinen mögen, wie zum Beispiel Äpfel, die auf den Boden fallen, und Planeten, die die Sonne umkreisen, aber auf kosmischer Ebene ist die Schwerkraft immer eines der kritischsten Objekte für die Überprüfung grundlegender physikalischer Theorien. Es bestimmt, wie Galaxien entstehen, wie sich Galaxienhaufen bewegen und prägt auch die großräumige Struktur des gesamten Universums. Allerdings stehen Astronomen bei ihren Beobachtungen seit langem vor einem Problem: Viele Sterne und Galaxien bewegen sich allein aufgrund der Masse der sichtbaren Materie deutlich zu schnell, und es scheint, dass sie nicht durch die Anziehungskraft der vorhandenen sichtbaren Materie erklärt werden können.
Der Kosmologe Patricio A. Gallardo, einer der Autoren des Papiers, sagte, diese „riesige Lücke im kosmischen Hauptbuch“ habe die Astrophysik-Gemeinschaft seit vielen Jahren beunruhigt. Ob es sich um die Rotation von Sternen innerhalb von Galaxien oder die Bewegung von Galaxien in Galaxienhaufen handelt, es zeigt sich, dass sich einige Himmelskörper viel schneller bewegen, als es die sichtbare Materie zulässt. Angesichts dieses Widerspruchs schlägt die wissenschaftliche Gemeinschaft normalerweise zwei Erklärungswege vor: Erstens gibt es im Universum eine große Menge unsichtbarer dunkler Materie, die diesen Himmelskörpern zusätzliche Schwerkraft verleiht; Zweitens muss die bestehende Schwerkrafttheorie in sehr großem Maßstab modifiziert werden.
Um zu testen, welche Erklärung der Wahrheit näher kommt, griffen die Forscher auf Daten des Atacama Cosmological Telescope zurück. Das von Forschern der University of Pennsylvania entwickelte Teleskop ist ein etwa drei bis vier Stockwerke hohes Beobachtungsgerät. Es wird hauptsächlich zur Messung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung verwendet, bei der es sich um das schwache Nachleuchten handelt, das vom Urknall übrig geblieben ist. Das Forschungsteam konzentrierte sich auf die Analyse der subtilen Veränderungen, die durch dieses uralte Licht verursacht werden, das riesige Galaxienhaufen durchdringt, um daraus den Bewegungszustand von Galaxienhaufen abzuleiten, wenn sie nahe beieinander sind, und um die tatsächliche Stärke der Schwerkraft auf extrem großen Skalen weiter zu testen.
Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung entstand etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall und erfüllt das gesamte Universum. Wenn diese Lichtstrahlen Regionen von Galaxienhaufen passieren, die heißes Gas enthalten, erfahren sie aufgrund der Bewegung des Haufens extrem schwache, aber messbare Verzerrungen. Durch die Analyse dieses Signals führten Forscher statistische Studien an Hunderttausenden Galaxienhaufenproben durch, die sich über mehrere zehn Millionen oder sogar Hunderte Millionen Lichtjahre erstreckten, um festzustellen, ob die Schwerkraft immer noch mit zunehmender Entfernung abnimmt, wie von der klassischen Theorie vorhergesagt.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Beobachtungsdaten in hohem Maße mit den Vorhersagen von Newtons Theorie und Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmen. Wenn alternative Theorien wie die modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) richtig sind, dann sollte das Muster des Schwerkraftzerfalls auf sehr großen Skalen von den traditionellen theoretischen Erwartungen abweichen; Diese Messung ergab jedoch keine solche Abweichung. Die Forscher glauben daher, dass es zumindest auf den derzeit getesteten kosmischen Skalen keine Hinweise darauf gibt, dass Modifikationen der Schwerkraftgesetze notwendig sind, um die Beobachtungen zu erklären.
Gallardo sagte, dass es überraschend sei, dass das von Newton im 17. Jahrhundert vorgeschlagene Gesetz des umgekehrten Quadrats auch nach Eintritt in das 21. Jahrhundert in einem so großen Maßstab des Universums noch haltbar sei. Als Newton dieses Gesetz diskutierte, konzentrierte er sich hauptsächlich auf die Bewegung von Himmelskörpern innerhalb des Sonnensystems. Heute haben Wissenschaftler dieses Prinzip auf zu seiner Zeit unvorstellbare Entfernungs- und Massenskalen ausgeweitet und getestet.
Forscher wiesen darauf hin, dass dies bedeutet, dass das Problem der „fehlenden Masse“ schwieriger mit dem „Versagen der Schwerkrafttheorie“ zu erklären ist, aber die Existenz einer materiellen Komponente im Universum, die nicht direkt beobachtet wurde, nämlich der Dunklen Materie, weiter stützt. Mit anderen Worten: Wenn sich die Schwerkraft selbst auf großen Skalen nicht abnormal verhält, dann ist es wahrscheinlicher, dass die zusätzlichen Gravitationseffekte in Galaxien und Galaxienhaufen von unsichtbaren Massenquellen herrühren und nicht von der Umschreibung physikalischer Gesetze.
Die Forschung unterstreicht jedoch auch, dass die wahre Natur der Dunklen Materie eines der wichtigsten ungelösten Probleme der modernen Physik bleibt. Diese Arbeit stärkt die Beweise dafür, dass „dunkle Materie einer der Bestandteile des Universums“ ist, beantwortet aber nicht, woraus sie tatsächlich besteht. Da die Genauigkeit der Beobachtungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung weiter verbessert wird und größere Galaxienuntersuchungsprojekte weiter voranschreiten, wird erwartet, dass Wissenschaftler in Zukunft präzisere Tests zu den Gesetzen der Schwerkraft und zu Fragen der Dunklen Materie durchführen.
Diese Forschungsarbeit trägt den Titel „Testing the Law of Gravitation at the Cosmological Scale Using the Kinematic Sunyaev-Zeldovich Effect“ und wurde am 15. April 2026 in „Physical Review Letters“ veröffentlicht. Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern wie P. A. Gallardo abgeschlossen und das Projekt erhielt auch Unterstützung von der National Science Foundation und anderen Institutionen.