Opublikowana w 1915 r. Teoria ogólnej teorii względności Einsteina (GR) przeszła swój pierwszy wielki test zaledwie kilka lat później, gdy podczas zaćmienia Słońca w 1919 r. Zaobserwowano przewidywane ugięcie grawitacyjne światła przechodzącego w pobliżu Słońca.
W 1960 r. GR zdała swój pierwszy duży test w laboratorium na Ziemi; eksperyment Funt-Rebka. W ciągu dziewięciu dziesięcioleci od publikacji GR przeszedł test po teście po teście, zawsze w żywych kolorach (sprawdź tę recenzję, aby uzyskać doskonałe podsumowanie).
Ale testy zawsze odbywały się w układzie słonecznym lub w inny sposób pośrednio.
Teraz zespół kierowany przez naukowców z Princeton University przetestował GR, aby sprawdzić, czy sprawdza się w skali kosmicznej. Po dwóch latach analizy danych astronomicznych naukowcy doszli do wniosku, że teoria Einsteina działa zarówno na dużych odległościach, jak i na bardziej lokalnych obszarach kosmicznych.
Analiza naukowa ponad 70 000 galaktyk pokazuje, że wszechświat - przynajmniej w odległości do 3,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi - postępuje zgodnie z regułami określonymi przez Einsteina w jego słynnej teorii. Chociaż GR jest akceptowany przez społeczność naukową od ponad dziewięciu dekad, do tej pory nikt nie przetestował tej teorii tak dokładnie i solidnie w odległościach i skalach, które wykraczają daleko poza Układ Słoneczny.
Reinabelle Reyes, absolwentka Princeton na Wydziale Nauk Astrofizycznych, wraz ze współautorami Rachel Mandelbaum, współpracownikiem naukowym, oraz James Gunn, profesor astronomii Eugene Higgins, przedstawili swoją ocenę w wydaniu Nature z 11 marca.
Inni naukowcy współpracujący przy tym artykule to Tobias Baldauf, Lucas Lombriser i Robert Smith z University of Zurich oraz Uros Seljak z University of California-Berkeley.
Stwierdzili, że wyniki są ważne, ponieważ opierają się na bieżących teoriach wyjaśniających kształt i kierunek wszechświata, w tym na ideach ciemnej energii, i rozpraszają pewne wskazówki z innych ostatnich eksperymentów, że ogólna teoria względności może być błędna.
„Wszystkie nasze pomysły w astronomii opierają się na tej naprawdę ogromnej ekstrapolacji, więc wszystko, co możemy zrobić, aby sprawdzić, czy jest to prawidłowe w tych skalach, jest po prostu niezwykle ważne” - powiedział Gunn. „Dodaje kolejną cegłę do fundamentu, która leży u podstaw tego, co robimy”.
GR jest jedną z dwóch podstawowych teorii leżących u podstaw całej współczesnej astrofizyki i kosmologii (druga to Standardowy Model Fizyki Cząstek, teoria kwantowa); wyjaśnia wszystko, od czarnych dziur po Wielki Wybuch.
W ostatnich latach zaproponowano kilka alternatyw dla ogólnej teorii względności. Te zmodyfikowane teorie grawitacji odbiegają od ogólnej teorii względności w dużych skalach, aby obejść potrzebę ciemnej energii, ciemnej materii lub obu. Ale ponieważ te teorie zostały zaprojektowane tak, aby pasowały do prognoz ogólnej teorii względności dotyczącej historii ekspansji wszechświata, czynnika, który jest kluczowy dla obecnej pracy kosmologicznej, kluczowe stało się ustalenie, która teoria jest poprawna, lub przynajmniej reprezentuje rzeczywistość tak dobrze, jak może być przybliżony.
„Wiedzieliśmy, że musimy przyjrzeć się wielkoskalowej strukturze wszechświata i rozwojowi mniejszych struktur tworzących go z czasem, aby się dowiedzieć” - powiedział Reyes. Zespół wykorzystał dane z Sloan Digital Sky Survey (SDSS), długoterminowego, obejmującego wiele instytucji projektu teleskopu mapującego niebo, aby określić położenie i jasność kilkuset milionów galaktyk i kwazarów.
Obliczając gromadę tych galaktyk, które rozciągają się prawie jedną trzecią drogi do krawędzi wszechświata, oraz analizując ich prędkości i zniekształcenia od interweniującego materiału - z powodu słabego soczewkowania, głównie ciemnej materii - naukowcy wykazali, że Einsteina teoria wyjaśnia pobliski wszechświat lepiej niż alternatywne teorie grawitacji.
Naukowcy z Princeton badali wpływ grawitacji na galaktyki SDSS i gromady galaktyk w długim okresie czasu. Zaobserwowali, w jaki sposób ta fundamentalna siła napędza galaktyki do zlepiania się w większe zbiory galaktyk i jak kształtuje ekspansję wszechświata.
Krytycznie, ponieważ ponieważ teoria względności wymaga, aby krzywizna przestrzeni była równa krzywiznie czasu, badacze mogli obliczyć, czy oba wpłynęły na światło w równych ilościach, tak jak powinno, jeśli ogólna teoria względności jest prawdziwa.
„Po raz pierwszy ten test został w ogóle przeprowadzony, więc jest to dowód koncepcji”, powiedział Mandelbaum. „W najbliższych latach planowane są inne badania astronomiczne. Teraz, gdy wiemy, że ten test działa, będziemy mogli go używać z lepszymi danymi, które będą wkrótce dostępne, aby ściślej ograniczyć teorię grawitacji. ”
Naukowcy stwierdzili, że wzmocnienie mocy predykcyjnych GR może pomóc naukowcom lepiej zrozumieć, czy aktualne modele wszechświata mają sens.
„Każdy test, jaki możemy zrobić, aby zbudować zaufanie do stosowania tych bardzo pięknych rzeczy teoretycznych, ale nie przetestowanych na tych skalach, jest bardzo ważny” - powiedział Gunn. „Z pewnością pomaga, gdy próbujesz robić skomplikowane rzeczy, aby zrozumieć podstawy. I to jest bardzo, bardzo, bardzo podstawowa rzecz. ”
„Zaletą przejścia do skali kosmologicznej jest to, że możemy przetestować dowolną pełną, alternatywną teorię grawitacji, ponieważ powinna ona przewidywać rzeczy, które obserwujemy” - powiedział współautor Uros Seljak, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Berkeley oraz wykładowca z Lawrence Berkeley National Laboratory, który obecnie przebywa na urlopie w Instytucie Fizyki Teoretycznej na Uniwersytecie w Zurychu. „Te alternatywne teorie, które nie wymagają ciemnej materii, zawodzą te testy”.
Źródła: „Naukowcy z Princeton twierdzą, że teoria Einsteina ma zastosowanie poza Układem Słonecznym” (Uniwersytet Princeton), „Badanie potwierdza ogólną teorię względności w skali kosmicznej, istnienie ciemnej materii” (University of California Berkeley), „Potwierdzenie ogólnej teorii względności w dużych skalach od słabych prędkości soczewkowania i galaktyki ”(Nature, preprint arXiv)
