Publicată în 1915, teoria lui Einstein despre relativitatea generală (GR) a trecut primul său mare test doar câțiva ani mai târziu, când a fost observată devierea gravitațională prognozată a luminii care trecea lângă Soare în timpul eclipsei solare din 1919.
În 1960, GR a trecut primul său mare test într-un laborator, aici pe Pământ; experimentul Pound-Rebka. Și în cele nouă decenii de la publicarea sa, GR a trecut test după test după test, întotdeauna cu culori zburătoare (consultați această recenzie pentru un rezumat excelent).
Dar testele au fost întotdeauna în interiorul sistemului solar, sau altfel indirect.
Acum, o echipă condusă de oamenii de știință de la Universitatea Princeton a testat GR pentru a vedea dacă este valabil la scară cosmică. Și, după doi ani de analiză a datelor astronomice, oamenii de știință au ajuns la concluzia că teoria lui Einstein funcționează la fel de mult la distanțe ca în mai multe regiuni locale ale spațiului.
Analiza oamenilor de știință a peste 70.000 de galaxii demonstrează că universul - cel puțin până la o distanță de 3,5 miliarde de ani-lumină față de Pământ - se joacă după regulile stabilite de Einstein în celebra sa teorie. Deși GR a fost acceptat de comunitatea științifică timp de peste nouă decenii, până acum nimeni nu a testat teoria atât de minuțios și robust la distanțe și scale care depășesc sistemul solar.
Reinabelle Reyes, studentă la Princeton, la Departamentul de Științe Astrofizice, împreună cu coautorii Rachel Mandelbaum, un savant de cercetare asociat, și James Gunn, profesor de astronomie Eugene Higgins, și-au prezentat evaluarea în ediția din 11 martie a Naturii.
Alți oameni de știință care colaborează la lucrare includ Tobias Baldauf, Lucas Lombriser și Robert Smith de la Universitatea din Zurich și Uros Seljak de la Universitatea din California-Berkeley.
Au spus aceștia că rezultatele sunt importante, pentru că pun în discuție teoriile actuale care explică forma și direcția universului, inclusiv idei despre energia întunecată și risipesc unele indicii din alte experimente recente că relativitatea generală poate fi greșită.
„Toate ideile noastre în astronomie se bazează pe această extrapolare cu adevărat enormă, deci orice putem face pentru a vedea dacă acest lucru este corect sau nu pe aceste scale, este extrem de important”, a spus Gunn. „Adăuga o altă cărămidă la fundația care stă la baza ceea ce facem.”
GR este una, dintre două, teorii fundamentale care stau la baza tuturor astrofizicii și cosmologiei contemporane (cealaltă este Modelul standard al fizicii particulelor, o teorie cuantică); explică totul, de la găuri negre până la Big Bang.
În ultimii ani, au fost propuse mai multe alternative la relativitatea generală. Aceste teorii modificate ale gravitației se îndepărtează de relativitatea generală pe scări mari pentru a evita nevoia de energie întunecată, materie întunecată sau ambele. Dar, deoarece aceste teorii au fost concepute pentru a se potrivi cu predicțiile relativității generale despre istoria expansiunii universului, un factor care este central pentru lucrările cosmologice actuale, a devenit crucial să știm care teorie este corectă, sau cel puțin reprezintă realitatea cât mai bine. poate fi aproximat.
„Știam că trebuie să analizăm structura pe scară largă a universului și creșterea structurilor mai mici care o compun de-a lungul timpului pentru a afla”, a spus Reyes. Echipa a utilizat datele din Sloan Digital Sky Survey (SDSS), un proiect de telescop multi-instituție pe termen lung, care mapează cerul pentru a determina poziția și luminozitatea mai multor sute de milioane de galaxii și quasari.
Calculând aglomerarea acestor galaxii, care se întind aproape o treime din drumul până la marginea universului și analizând viteza și denaturarea lor din materialul intervenient - datorită lentilării slabe, în primul rând din materia întunecată - cercetătorii au arătat că Einstein teoria explică universul din apropiere mai bine decât teoriile alternative ale gravitației.
Oamenii de știință Princeton au studiat efectele gravitației asupra galaxiilor SDSS și a grupurilor de galaxii pe perioade lungi de timp. Ei au observat cum această forță fundamentală determină galaxiile să se aglomereze în colecții mai mari de galaxii și cum modelează expansiunea universului.
În mod critic, deoarece relativitatea solicită curbura spațiului să fie egală cu curbura timpului, cercetătorii ar putea calcula dacă lumina a fost influențată în cantități egale de ambele, așa cum ar trebui să fie dacă relativitatea generală este adevărată.
"Aceasta este prima dată când acest test a fost realizat la toate, deci este o dovadă a conceptului", a spus Mandelbaum. „Există alte sondaje astronomice planificate pentru următorii ani. Acum că știm că acest test funcționează, îl vom putea folosi cu date mai bune care vor fi disponibile în curând pentru a restricționa mai strâns teoria gravitației. "
Consolidarea puterilor predictive ale GR poate ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine dacă modelele actuale ale universului au sens, au spus oamenii de știință.
"Orice test pe care îl putem face pentru a ne construi încrederea în aplicarea acestor lucruri teoretice foarte frumoase, dar care nu au fost testate pe aceste scale, este foarte important", a spus Gunn. „Cu siguranță ajută atunci când încerci să faci lucruri complicate pentru a înțelege fundamentele. Și acesta este un lucru foarte, foarte, foarte fundamental. ”
„Lucrul frumos despre a merge la scara cosmologică este că putem testa orice teorie completă, alternativă a gravitației, pentru că ar trebui să prezică lucrurile pe care le observăm”, a declarat coautorul Uros Seljak, profesor de fizică și astronomie la UC Berkeley și un om de știință al Facultății la Laboratorul Național Lawrence Berkeley, care este în prezent în concediu la Institutul de Fizică Teoretică din cadrul Universității din Zurich. „Aceste teorii alternative care nu necesită materie întunecată nu reușesc aceste teste.”
Surse: „Oamenii de știință Princeton spun că teoria lui Einstein se aplică dincolo de sistemul solar” (Universitatea Princeton), „Studiul validează relativitatea generală pe scară cosmică, existența materiei întunecate” (Universitatea din California Berkeley), „Confirmarea relativității generale pe scări mari de la slabe lentile și viteze ale galaxiei ”(Nature, preprint arXiv)
