Oamenii de știință au testat teoria gravitației a lui Einstein la scara universului: ce au descoperit

Într-un nou studiu, fizicienii testează teoria relativității generale a lui Einstein la cea mai mare scară.

Totul în univers are gravitație și o simte, de asemenea. Cu toate acestea, cea mai comună dintre toate forțele fundamentale 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 observaționale, de la măsurarea lui Eddington a devierii luminii stelelor de către Soare în 1919, până la 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 cuantice sau când încercăm să descriem întregul univers.

Un nou studiu, publicat în Nature Astronomy, a testat acum teoria lui Einstein la cea mai mare scară. Cercetătorii cred că abordarea aceasta ar putea ajuta într-o zi la rezolvarea unora dintre cele mai mari mistere din cosmologie, iar rezultatele sugerează că teoria relativității generale ar putea avea nevoie să fie modificată la această scară.

Andreea Marin, radiantă la 50 de ani. Mesajul emoționant transmis de vedetă de ziua de naștere: “Poate că sună banal”

Atenționare de vreme rea în toată țara. Lapoviță, ninsori și temperaturi de până la -15°C

Teoria cuantică prezice că spațiul gol, vidul, este plin de 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 – împinge spațiul gol în afară. Interesant este că în 1998, s-a descoperit că expansiunea universului se accelerează, de fapt (o constatare premiată cu premiul Nobel pentru fizică în 2011). Cu toate acestea, cantitatea de energie în vid, sau energia întunecată, așa cum a fost numită, necesară pentru a explica accelerația este cu multe ordine de mărime mai mică decât ceea ce prezice teoria cuantică.

Prin urmare, marea întrebare, numită „vechea problemă a constantei cosmologice”, este dacă energia vidului gravitează, de fapt – exercitând o forță gravitațională și schimbând expansiunea universului. Dacă da, atunci de ce gravitația sa este mult mai slabă decât se prevedea? Dacă vidul nu gravitează deloc, ce cauzează accelerația cosmică?

Cum a fost testată teoria gravitației a lui Einstein

Nu știm ce este energia întunecată, dar trebuie să presupunem că există pentru a explica expansiunea universului. În mod similar, trebuie să presupunem că există un tip de prezență de materie invizibilă, numită materie întunecată, pentru a explica modul în care galaxiile și clusterele au evoluat pentru a fi așa cum le observăm astăzi. Aceste ipoteze sunt incluse 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. Acest model a avut un succes remarcabil în a 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, i-a determinat pe mulți fizicieni să se întrebe dacă teoria gravitației lui Einstein are nevoie de modificare pentru a descrie întregul univers. O nouă întorsătură de situație a apărut acum câțiva ani, când a devenit evident că diferite moduri de măsurare a ratei expansiunii cosmice, numite constanta Hubble, dau răspunsuri diferite – o problemă cunoscută sub numele de tensiune Hubble.

Dezacordul 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 cu lumina rămasă de la Big Bang. Celălalt este rata de expansiune măsurată prin observarea stelelor care explodează, cunoscute sub numele de supernove în galaxii îndepărtate. Au fost propuse multe idei teoretice pentru modalități de modificare a LCDM, pentru a explica tensiunea Hubble. Printre acestea se numără teoriile gravitaționale alternative.

Astfel, s-a dorit verificarea dacă universul respectă regulile teoriei lui Einstein. Relativitatea generală descrie gravitația ca fiind curbarea sau deformarea spațiului și timpului, îndoind căile de-a lungul cărora se deplasează lumina și materia. Foarte important, prezice că traiectoriile razelor de lumină și ale materiei ar trebui să fie îndoite de gravitație în același mod.

Împreună cu o echipă de cosmologi, oamenii de știință au pus la încercare legile de bază ale relativității generale. De asemenea, au 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, și-au propus, pentru prima dată, să investigheze simultan trei aspecte ale acesteia. Acestea au fost expansiunea universului, efectele gravitației asupra luminii și efectele gravitației asupra materiei.

Folosind o metodă statistică cunoscută sub numele de inferență bayesiană, au reconstruit gravitația universului prin istoria cosmică, într-un model computerizat bazat pe acești trei parametri. Au putut estima parametrii folosind datele de fundal cosmice cu microunde de la satelitul Planck, precum și observații ale formelor și distribuției galaxiilor îndepărtate de către telescoapele SDSS și DES. Apoi au comparat reconstrucția cu predicția modelului LCDM (în esență, modelul lui Einstein).

Așadar, ei au găsit indicii interesante despre o posibilă nepotrivire 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 ar putea fi nevoită să fie modificată.

Studiul a mai constatat că este foarte dificil să rezolvi problema tensiunii Hubble doar schimbând teoria gravitației. Soluția completă ar necesita probabil un nou ingredient în modelul cosmologic, prezent înainte de momentul când protonii și electronii s-au combinat pentru prima dată, pentru a forma hidrogen imediat după Big Bang, cum ar fi o formă specială de materie întunecată. Sau, poate, există o eroare sistematică încă necunoscută în date.

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