Naukowcy sprawdzają przewidywania słynnego fizyka, obliczając zniekształcenie czasu i przestrzeni.
Dlaczego ekspansja Wszechświata przyspiesza? Nawet 25 lat po odkryciu pozostaje to jedną z najgłębszych tajemnic nauki. Rozwikłanie tej kwestii wymaga zbadania podstawowych praw fizyki, w tym ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Naukowcy z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) i Tuluzy III – Paul Sabatier niedawno przeanalizowali dane z Przeglądu Ciemnej Energii, aby porównać przewidywania Einsteina z obserwowanymi zjawiskami kosmicznymi. Zidentyfikowali niewielką rozbieżność, która zmienia się w różnych epokach historii Wszechświata.
Opublikowano w Komunikacja przyrodniczaodkrycia te rodzą pytania o zdolność teorii Einsteina do pełnego wyjaśnienia zachowania Wszechświata w największych skalach.
Równania Einsteina zderzają się z tajemnicami Wszechświata
Teoria Alberta Einsteina sugeruje, że Wszechświat jest wypaczony przez materię, podobnie jak elastyczna płachta ugina się pod ciężkim przedmiotem. Te zniekształcenia, powstałe w wyniku przyciągania grawitacyjnego masywnych ciał niebieskich, nazywane są „studniami grawitacyjnymi”. Kiedy światło wędruje przez ten nierówny krajobraz, jego droga załamuje się, gdy przechodzi przez te studnie, podobnie jak szklana soczewka przekierowuje światło. Ale tutaj to grawitacja, a nie szkło, załamuje światło. Efekt ten znany jest jako „soczewkowanie grawitacyjne”.
Obserwacja soczewkowania grawitacyjnego pomaga naukowcom zrozumieć skład, historię i ekspansję Wszechświata. Pierwszy pomiar tego efektu, wykonany podczas zaćmienia słońca w 1919 r., potwierdził przewidywania Einsteina dotyczące odchylenia światła – dwukrotnie większego niż sugerowała teoria Izaaka Newtona. Ta rozbieżność powstała, ponieważ Einstein wprowadził przełomową koncepcję: czas, podobnie jak przestrzeń, jest zniekształcany przez grawitację, tworząc precyzyjną krzywiznę, która zagina światło.
Walidacja uniwersalnych teorii za pomocą współczesnych danych
Czy te równania są nadal aktualne na krańcach Wszechświata? Pytanie to jest badane przez wielu naukowców, którzy chcą określić ilościowo gęstość materii w kosmosie i zrozumieć przyspieszenie jej ekspansji. Wykorzystując dane z Dark Energy Survey – projektu mapującego kształty setek milionów galaktyk – zespół z uniwersytetów w Genewie (UNIGE) i Toulouse III – Paul Sabatier dostarcza nowych spostrzeżeń.
„Do tej pory dane z badania Dark Energy Survey były wykorzystywane do pomiaru rozmieszczenia materii we Wszechświecie. W naszym badaniu wykorzystaliśmy te dane do bezpośredniego pomiaru zniekształcenia czasu i przestrzeni, co umożliwiło nam porównanie naszych wyników z przewidywaniami Einsteina” – mówi Camille Bonvin, profesor nadzwyczajny na Wydziale Fizyki Teoretycznej Wydziału Nauk UNIGE, który kierował badania.
Niewielka rozbieżność
Dane z badania Dark Energy Survey pozwalają naukowcom zajrzeć w głąb kosmosu, a tym samym w daleką przeszłość. Zespół francusko-szwajcarski przeanalizował 100 milionów galaktyk w czterech różnych momentach historii Wszechświata: 3,5, 5, 6 i 7 miliardów lat temu. Pomiary te ujawniły, jak studnie grawitacyjne ewoluowały na przestrzeni czasu, obejmując ponad połowę historii kosmosu.
„Odkryliśmy, że w odległej przeszłości – 6 i 7 miliardów lat temu – głębokość studni dobrze pokrywa się z przewidywaniami Einsteina. Jednak bliżej czasów dzisiejszych, 3,5 i 5 miliardów lat temu, są one nieco płytsze, niż przewidywał Einstein” – ujawnia Isaac Tutusaus, asystent astronoma w Instytucie Badań Astrofizyki i Planetologii (IRAP/OMP) na Uniwersytecie w Toulouse III – Paul Sabatier i główny autor badania.
Również w tym okresie, bliższym dzisiaj, ekspansja Wszechświata zaczęła przyspieszać. Dlatego odpowiedź na dwa zjawiska – przyspieszenie Wszechświata i wolniejszy wzrost studni grawitacyjnych – może być taka sama: grawitacja może działać w dużych skalach według innych praw fizycznych, niż te przewidywane przez Einsteina.
Rzucanie wyzwanie Einsteinowi?
„Nasze wyniki pokazują, że przewidywania Einsteina są niezgodne z pomiarami na poziomie 3 sigma. W języku fizyki taki próg niezgodności budzi nasze zainteresowanie i wzywa do dalszych badań. Jednak na tym etapie ta niezgodność nie jest na tyle duża, aby unieważnić teorię Einsteina. Aby tak się stało, musielibyśmy osiągnąć próg 5 sigma. Dlatego istotne jest przeprowadzenie dokładniejszych pomiarów, aby potwierdzić lub obalić te wstępne wyniki i dowiedzieć się, czy teoria ta pozostaje aktualna w naszym Wszechświecie, na bardzo duże odległości” – podkreśla Nastassia Grimm, doktorantka na Wydziale Fizyki Teoretycznej UNIGE i współautorka badania.
Zespół przygotowuje się do analizy nowych danych z wystrzelonego rok temu kosmicznego teleskopu Euclid. Gdy Euklides będzie obserwował Wszechświat z kosmosu, jego pomiary soczewkowania grawitacyjnego będą znacznie dokładniejsze. Ponadto oczekuje się, że w ciągu sześciu lat misji sonda zaobserwuje około 1,5 miliarda galaktyk. Umożliwi to dokładniejsze pomiary zniekształceń czasoprzestrzennych, co pozwoli nam cofnąć się w czasie i ostatecznie przetestować równania Einsteina.
Odniesienie: „Pomiar ewolucji potencjału Weyla z pierwszych trzech lat danych z badania ciemnej energii” przeprowadzony przez Isaaca Tutusausa, Camille Bonvin i Nastassię Grimm, 11 listopada 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53363-6
