Az 1915-ben közzétett Einstein általános relativitáselmélete (GR) néhány évvel később teljesítette első nagy tesztjét, amikor az 1919-es napfogyatkozás során megfigyelték a Nap közelében áthaladó fény gravitációs eltérését.
1960-ban a GR letette az első nagy tesztét egy laboratóriumban, itt a Földön; a Pound-Rebka kísérlet. És a kiadása óta eltelt kilenc évtized során a GR teszt után tesztelést tett le, mindig repülő színekkel (kiváló összefoglalóért nézze meg ezt az áttekintést).
De a tesztek mindig a naprendszeren belül voltak, vagy egyéb módon közvetettek.
A Princeton Egyetem tudósai által vezetett csoport most megvizsgálta a GR-t, hogy megbizonyosodjon arról, hogy ez igaz-e kozmikus méretekben. És a csillagászati adatok kétéves elemzése után a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy Einstein elmélete hatalmas távolságokban is működik, mint a világűr más helyi régióiban.
A tudósok több mint 70 000 galaxis elemzése azt mutatja, hogy az univerzum - legalább 3,5 milliárd fényév távolságban a Földtől - Einstein által a híres elméletében megfogalmazott szabályok szerint működik. Míg a tudományos közösség már több mint kilenc évtizede elfogadta a GR-t, addig eddig senki nem tesztelte annyira alaposan és robusztusan az olyan távolságokat és skálakat, amelyek messze túlmutatnak a Naprendszeren.
Reinabelle Reyes, a Princeton végzős hallgatója az asztrofizikai tudományok tanszékén, társszerzői, Rachel Mandelbaum, társult kutató, és James Gunn, az Eugene Higgins csillagászati professzora körvonalazták értékelésüket a Nature március 11-i kiadásában.
A tudósítvánnyal közösen dolgozó tudósok között szerepel Tobias Baldauf, Lucas Lombriser és Robert Smith a Zürichi Egyetemen, valamint Uros Seljak a Kaliforniai Berkeley Egyetemen.
Az eredmények fontosak, mondták, mert felsorakoztatják a világegyetem alakját és irányát megmagyarázó jelenlegi elméleteket, ideértve a sötét energiáról szóló ötleteket, és eloszlatnak néhány utóbbi kísérletből néhány utalást, miszerint az általános relativitáselmélet hibás lehet.
"A csillagászat minden ötlete ezen az igazán hatalmas extrapoláción alapszik, tehát rendkívül fontos minden, amit megtehetünk, hogy ezekben a skálákban helytálló-e vagy sem" - mondta Gunn. "Újabb téglával egészíti ki az alapot, amely alapját képezi az általunk elvégzett munka."
A GR a kortárs asztrofizika és kozmológia egyik alapvető elmélete (a másik a részecskefizika standard modellje, kvantumelmélet); mindent megmagyaráz, a fekete lyukaktól a Big Bangig.
Az elmúlt években az általános relativitáselmélet több alternatíváját javasolták. Ezek a módosított gravitációs elméletek nagy léptékben eltérnek az általános relativitástól, hogy megkerüljék a sötét energiát, a sötét anyagot vagy mindkettőt. Mivel ezeket az elméleteket úgy tervezték, hogy megfeleljenek az univerzum tágulási történetével kapcsolatos általános relativitás-előrejelzéseknek, amely tényező központi szerepet játszik a jelenlegi kozmológiai munkában, döntő jelentőségűvé vált, hogy tudjuk, melyik elmélet helyes, vagy legalábbis a valóságot képviseli legalább olyan jól, mint a közelíthető.
"Tudtuk, hogy meg kell vizsgálnunk a világegyetem nagy léptékű szerkezetét és az idővel felépülő kisebb struktúrák növekedését, hogy ezt megtudjuk" - mondta Reyes. A csoport a Sloan Digital Sky Survey (SDSS), egy hosszú távú, multi-intézményi teleszkóp-projekt adatait használja az égbolt feltérképezéséhez, hogy meghatározza több száz millió galaxis és kvazár helyzetét és fényerejét.
Azoknak a galaxisoknak a csoportosítását, amelyek az út csaknem egyharmadát az univerzum széléig terjednek, és elemzik a sebességüket és a beavatkozó anyagból származó torzulásokat - a gyenge lencse miatt, elsősorban a sötét anyaggal - a kutatók kimutatták, hogy Einstein az elmélet jobban magyarázza a közeli univerzumot, mint a gravitáció alternatív elméletei.
A Princeton tudósai megvizsgálták a gravitáció hatását az SDSS galaxisokra és a galaxiscsoportokra hosszú ideig. Megfigyelték, hogy ez az alapvető erő miként hajtja a galaxisokat nagyobb galaxisgyűjteményekbe történő összegyűjtésre, és hogyan alakítja ki az univerzum kiterjedését.
Kritikusan, mivel a relativitáselmélet miatt a tér görbülete megegyezik az idő görbületével, a kutatók kiszámíthatták, hogy a fényt egyenlő mértékben befolyásolja-e mindkettő, úgy kell lennie, ha az általános relativitáselmélet igaz.
"Egyáltalán nem ez az első alkalom, hogy ezt a tesztet elvégezték, tehát a koncepció bizonyítéka" - mondta Mandelbaum. „Vannak más csillagászati felmérések is, amelyeket a következő évekre terveznek. Most, hogy tudjuk, hogy ez a teszt működik, jobb adatokkal tudjuk majd használni, amelyek hamarosan elérhetők lesznek, hogy a gravitációs elméletet jobban korlátozzák. ”
A GR prediktív erejének megszilárdítása segíthet a tudósoknak jobban megérteni, hogy a világegyetem jelenlegi modelljeinek van-e értelme - mondta a tudósok.
„Nagyon fontos minden olyan teszt, amelyet megtehetünk az iránti bizalom kiépítésében ezen nagyon szép elméleti dolgok alkalmazásában, de amelyeket még nem teszteltünk ezen a skálán” - mondta Gunn. „Ez mindenképpen segít abban az esetben, ha bonyolult dolgokat próbál megtenni az alapok megértése érdekében. És ez nagyon, nagyon, nagyon alapvető dolog. ”
„A kozmológiai léptékhez való eljutás során az a jó dolog, hogy megvizsgálhatjuk a teljes, alternatív gravitációs elméletet, mert ennek meg kell jósolnia azokat a dolgokat, amelyeket megfigyelünk” - mondta Uros Seljak, a társszerző, az UC Berkeley fizikai és csillagászati professzora. valamint egy Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumi kar tudós, aki jelenleg a Zürichi Egyetem Elméleti Fizikai Intézetében van szabadságon. "Azok az alternatív elméletek, amelyek nem igényelnek sötét anyagot, nem teljesítik ezeket a teszteket."
Források: „A Princeton tudósai szerint Einstein elmélete túlmutat a Naprendszeren” (Princeton University), „A tanulmány validálja az általános relativitáselméletet kozmikus léptékben, a sötét anyag létezését” (Kaliforniai Egyetem, Berkeley), „Az általános relativitáselmélet megerősítése nagy léptékű és gyenge területeken lencse és galaxis sebessége ”(Nature, arXiv preprint)
