A tudósok kozmológiai skálán tesztelték Einstein relativitáselméletét, és valami furcsa dolgot találtak: ScienceAlert

Az univerzumban mindennek van gravitációja – és érzi is. Ugyanakkor ez a leggyakoribb alapvető erő jelenti a legnagyobb kihívást a fizikusok számára.

Albert Einstein általános relativitáselmélete Rendkívül sikeres volt a csillagok és bolygók gravitációs vonzerejének leírásában, de úgy tűnik, hogy nem minden léptékben igaz.

általános relativitáselmélet Több éves megfigyelési teszteken ment keresztül, tól Eddington mérés A csillagfénynek a Naptól való diffrakciójától 1919-ben ig A gravitációs hullámok legújabb kimutatása.

Megértésünkben azonban rések kezdenek megjelenni, amikor nagyon kis távolságokra próbáljuk alkalmazni, és hol A kvantummechanika törvényei működnekvagy amikor megpróbáljuk leírni az egész univerzumot.

Új tanulmányunk, kirakott természeti csillagászatMost tesztelte Einstein elméletét a legnagyobb léptékben.

Úgy gondoljuk, hogy megközelítésünk egy napon segíthet megoldani a kozmológia legnagyobb titkait, és az eredmények arra utalnak, hogy az általános relativitáselméletet ezen a skálán módosítani kell.

hibás modell?

A kvantumelmélet azt jósolja, hogy az üres tér, az üresség tele van energiával. Nem vesszük észre a jelenlétüket, mert készülékeink csak az energia változásait tudják mérni, nem pedig a teljes mennyiségüket.

Einstein szerint azonban a vákuum energiájának visszataszító vonzása van – szétnyomja az üres teret. Érdekes módon 1998-ban felfedezték, hogy az univerzum tágulása valójában felgyorsul (ez a felfedezés, amelyet 2011-es fizikai Nobel-díj).

Azonban a vákuumenergia mennyisége, ill sötét energia Ahogy nevezték, el kell magyarázni, hogy a gyorsulás sok nagyságrenddel kisebb, mint amit a kvantumelmélet jósol.

Ezért a nagy kérdés, amelyet „régi kozmológiai állandó problémának” neveznek, az, hogy a vákuumenergiát valóban vonzza-e – ami gravitációs erőt idéz elő, és megváltoztatja az univerzum tágulását.

Ha igen, miért olyan gyengébb a vonzereje a vártnál? Ha a vákuumot egyáltalán nem vonzzák, mi okozza a kozmikus gyorsulást?

Nem tudjuk, mi a sötét energia, de feltételeznünk kell a létezését, hogy megmagyarázzuk az univerzum tágulását.

Hasonlóképpen azt is fel kell tételeznünk, hogy létezik valamiféle láthatatlan anyag, amit elneveznek sötét anyagElmagyarázni, hogyan fejlődtek a galaxisok és a halmazok olyanná, amilyennek ma megfigyeljük őket.

Ezeket a feltevéseket beépítették a tudósok szokásos kozmológiai elméletébe, amelyet Cold Dark Matter Lambda Model-nek (LCDM) neveznek – ami azt sugallja, hogy a világegyetemben a sötét energia 70 százaléka, a sötét anyag 25 százaléka és a közönséges anyag 5 százaléka található. Ez a modell rendkívül sikeres volt a kozmológusok által az elmúlt 20 év során összegyűjtött összes adat illesztésében.

De az a tény, hogy az univerzum nagy része erőkből és sötét anyagból áll, amelyek furcsa, értelmetlen értékeket vesznek fel, sok fizikust arra késztetett, hogy elgondolkodjon, vajon szükség van-e Einstein gravitációelméletének módosítására, hogy leírja az egész univerzumot.

Néhány évvel ezelőtt új fejlemény jelent meg, amikor nyilvánvalóvá vált, hogy a kozmikus tágulás mértékének különböző mérési módjai, ún. Hubble állandóadjon különböző válaszokat – a probléma ismert Hubble feszültség.

A Hubble-állandó két értéke közötti nézeteltérés vagy feszültség.

Az első az LCDM kozmológiai modellje által megjósolt szám, amelyet ennek megfelelően fejlesztettek ki Az Ősrobbanás által hagyott fény (Az kozmikus mikrohullámú háttér sugárzás).

A másik a tágulás mértéke, amelyet távoli galaxisokban lévő szupernóvák megfigyelésével mérnek.

Számos elméleti ötletet javasoltak az LCDM modulációs módszerekre a Hubble-feszültség magyarázatára. Köztük vannak alternatív gravitációs elméletek.

Válaszok keresése

Teszteket tervezhetünk annak ellenőrzésére, hogy az univerzum megfelel-e Einstein elméletének szabályainak.

Az általános relativitáselmélet a gravitációt a tér és az idő görbületeként vagy elhajlásaként írja le, amely meggörbíti azokat az utakat, amelyek mentén a fény és az anyag halad. Fontos, hogy megjósolja, hogy a fény- és anyagsugarak útját a gravitáció ugyanúgy meghajlítja.

Kozmológusokból álló csapattal együtt teszteltük az általános relativitáselmélet alapvető törvényeit. Azt is megvizsgáltuk, hogy Einstein elméletének módosítása segíthet-e megoldani néhány nyitott kozmológiai problémát, például a Hubble-feszültséget.

Annak érdekében, hogy megtudjuk, az általános relativitáselmélet igaz-e nagy léptékben, most először arra vállalkoztunk, hogy egyszerre három aspektusát vizsgáljuk meg. Ezek voltak az univerzum tágulása, a gravitáció hatása a fényre és a gravitáció hatása az anyagra.

A Bayes-féle következtetésként ismert statisztikai módszerrel a kozmikus történelem segítségével rekonstruáltuk az univerzum gravitációját egy számítógépes modellben, amely ezen három paraméteren alapul.

Megbecsülhetjük a paramétereket a Planck műhold kozmikus mikrohullámú háttéradatai, szupernóvakatalógusok, valamint a távoli galaxisok alakjainak és eloszlásának megfigyelései alapján. SDSS És a DE teleszkópok.

Ezután a rekonstrukciónkat az LCDM-modellhez (lényegében Einstein-modellhez) hasonlítottuk össze.

Érdekes utalásokat találtunk az Einstein-jóslatokkal való esetleges eltérésre, bár meglehetősen alacsony statisztikai szignifikanciával.

Ez azt jelenti, hogy továbbra is fennáll annak a lehetősége, hogy a gravitáció másként fog működni nagy léptékben, és az általános relativitáselmélet módosítására lehet szükség.

Tanulmányunk azt is megállapította, hogy nagyon nehéz megoldani a Hubble-féle feszültség problémáját pusztán a gravitáció elméletének megváltoztatásával.

Talán a teljes megoldáshoz a kozmológiai modell új komponensére lenne szükség, amely még azelőtt létezett, hogy a protonok és elektronok először hidrogént alkottak. a nagy robbanásmint például a sötét anyag egy speciális formája, a sötét energia korai típusa vagy az ősmágneses mezők.

Vagy lehet, hogy ismeretlen szisztematikus hiba van az adatokban.

Vizsgálatunk azonban bebizonyította, hogy megfigyelési adatok segítségével lehetséges az általános relativitáselmélet érvényességét kozmikus távolságokon tesztelni. Bár a Hubble-problémát még nem oldottuk meg, néhány éven belül sok adatunk lesz az új szondákból.

Ez azt jelenti, hogy ezeket a statisztikai módszereket felhasználhatjuk az általános relativitáselmélet további módosítására, és a módosítások határainak feltárására, hogy előkészítsük az utat a kozmológia néhány nyitott kihívásának megoldásához.

Kazuya Koyamaa kozmológia professzora, Portsmouthi Egyetem És a Levon Bogosianfizika professzor, Simon Fraser Egyetem

Ezt a cikket újra kiadták Beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.