Oamenii de știință au testat relativitatea lui Einstein la scară cosmică și au descoperit ceva ciudat: ScienceAlert

Totul în Univers are gravitație – și o simte de asemenea. Cu toate acestea, această forță fundamentală cea mai comună este și cea care prezintă cele mai mari provocări pentru fizicieni.

Teoria relativității generale a lui Albert Einstein a avut un succes remarcabil în a descrie gravitația stelelor și planetelor, dar nu pare să se aplice perfect la toate scările.

Relativitatea generală a trecut mulți ani de teste de observare, măsura lui Eddington a devierii luminii stelelor de către Soare în 1919 către detectarea recentă a undelor gravitaționale.

Cu toate acestea, lacune în înțelegerea noastră încep să apară atunci când încercăm să o aplicăm la distanțe extrem de mici, unde funcționează legile mecanicii cuanticesau când încercăm să descriem întregul univers.

Noul nostru studiu, postat în astronomie naturalăa testat acum teoria lui Einstein la cea mai mare scară.

Credem că abordarea noastră ar putea ajuta într-o zi la rezolvarea unora dintre cele mai mari mistere ale cosmologiei, iar rezultatele sugerează că teoria relativității generale ar putea trebui modificată la această scară.

Model defect?

Teoria cuantică prezice că spațiul gol, vidul, este umplut cu energie. Nu observăm prezența acestuia, deoarece dispozitivele noastre pot măsura doar modificările de energie, mai degrabă decât cantitatea sa totală.

Cu toate acestea, potrivit lui Einstein, energia vidului are o gravitație respingătoare – desparte spațiul gol. Interesant este că în 1998 s-a descoperit că expansiunea Universului se accelerează de fapt (o descoperire răsplătită cu Premiul Nobel pentru Fizică 2011).

Cu toate acestea, cantitatea de energie de vid, sau energie întunecată așa cum a fost numit, necesară pentru a explica accelerația este cu câteva ordine de mărime mai mică decât cea prezisă de teoria cuantică.

Prin urmare, marea întrebare, numită „vechea problemă a constantei cosmologice”, este dacă energia vidului gravitează de fapt – exercitând o forță gravitațională și modificând expansiunea universului.

Dacă da, atunci de ce gravitația sa este atât de mai mică decât se aștepta? Dacă vidul nu gravitează deloc, ce cauzează accelerația cosmică?

Nu știm ce este energia întunecată, dar trebuie să presupunem că există pentru a explica expansiunea Universului.

În mod similar, trebuie de asemenea să presupunem că există un tip de prezență a materiei invizibile, numită materie neagrăpentru a explica cum au evoluat galaxiile și clusterele pentru a fi așa cum le observăm astăzi.

Aceste ipoteze sunt încorporate în teoria cosmologică standard a oamenilor de știință, numită modelul lambda de materie întunecată rece (LCDM) – sugerând că există 70% energie întunecată, 25% materie întunecată și 5% materie obișnuită în cosmos. Și acest model a avut un succes remarcabil în a se potrivi toate datele colectate de cosmologi în ultimii 20 de ani.

Dar faptul că cea mai mare parte a Universului este alcătuită din forțe și substanțe întunecate, luând valori ciudate care nu au sens, îi face pe mulți fizicieni să se întrebe dacă teoria gravitației lui Einstein a trebuit să fie modificată pentru a descrie întregul univers.

O nouă întorsătură a venit acum câțiva ani, când a devenit evident că diferite moduri de măsurare a ratei expansiunii cosmice, numite constanta Hubbledați răspunsuri diferite – o problemă cunoscută ca tensiunea Hubble.

Deacordarea, sau tensiunea, este între două valori ale constantei Hubble.

Unul este numărul prezis de modelul cosmologic LCDM, care a fost dezvoltat pentru a se potrivi lumina lăsată de Big Bang (cel fundal cosmic cu microunde radiații).

Celălalt este rata de expansiune măsurată prin observarea stelelor care explodează numite supernove în galaxii îndepărtate.

Au fost propuse multe idei teoretice pentru a modifica LCDM pentru a explica tensiunea Hubble. Printre acestea se numără teoriile gravitaționale alternative.

Căutați răspunsuri

Putem proiecta teste pentru a verifica dacă universul respectă regulile teoriei lui Einstein.

Relativitatea generală descrie gravitația ca fiind îndoirea sau deformarea spațiului și a timpului, îndoirea căilor de-a lungul cărora se deplasează lumina și materia. Important este că el prezice că căile razelor de lumină și ale materiei ar trebui să fie îndoite de gravitație în același mod.

Cu o echipă de cosmologi, am testat legile fundamentale ale relativității generale. De asemenea, am explorat dacă modificarea teoriei lui Einstein ar putea ajuta la rezolvarea unora dintre problemele deschise ale cosmologiei, cum ar fi tensiunea Hubble.

Pentru a afla dacă relativitatea generală este corectă la scară largă, ne-am angajat, pentru prima dată, să studiem trei aspecte ale acesteia simultan. Acestea au fost expansiunea Universului, efectele gravitației asupra luminii și efectele gravitației asupra materiei.

Folosind o metodă statistică cunoscută sub numele de inferență bayesiană, am reconstruit gravitația Universului prin istoria cosmică într-un model computerizat bazat pe acești trei parametri.

Am putut estima parametrii folosind date de fundal cosmice de microunde de la satelitul Planck, cataloage de supernove, precum și observații ale formelor și distribuției galaxiilor îndepărtate de către SDSS și ALE telescoape.

Apoi am comparat reconstrucția noastră cu predicția modelului LCDM (în esență modelul Einstein).

Am găsit indicii interesante despre o posibilă discrepanță cu predicția lui Einstein, deși cu o semnificație statistică destul de scăzută.

Aceasta înseamnă că există totuși posibilitatea ca gravitația să funcționeze diferit la scară mare și că teoria relativității generale trebuie modificată.

Studiul nostru a mai arătat că este foarte dificil să rezolvi problema tensiunii Hubble prin modificarea doar a teoriei gravitației.

Soluția completă ar necesita probabil un nou ingredient în modelul cosmologic, prezent înainte de momentul în care protonii și electronii s-au combinat pentru a forma hidrogen imediat după big bangca o formă specială de materie întunecată, un tip timpuriu de energie întunecată sau câmpuri magnetice primordiale.

Sau, poate, există o eroare sistematică încă necunoscută în date.

Acestea fiind spuse, studiul nostru a demonstrat că este posibil să se testeze validitatea relativității generale pe distanțe cosmologice folosind date observaționale. Deși nu am rezolvat încă problema Hubble, vom avea mult mai multe date de la noi sonde în câțiva ani.

Aceasta înseamnă că vom putea folosi aceste metode statistice pentru a continua să perfecționăm relativitatea generală, pentru a explora limitele modificărilor, pentru a deschide calea către rezolvarea unora dintre provocările deschise din cosmologie.

Kazuya Koyamaprofesor de cosmologie, Universitatea din Portsmouth și Levon Pogosianprofesor de fizica, Universitatea Simon Fraser

Acest articol este republicat din Conversatia sub licență Creative Commons. Citește Articol original.