Нові відкриття кидають виклик теорії відносності Ейнштейна

Вчені перевіряють прогнози відомого фізика, обчислюючи викривлення часу та простору. Чому розширення Всесвіту прискорюється? Навіть через 25 років після відкриття це залишається однією з найглибших загадок науки. Щоб її розгадати, потрібно ретельно вивчити фундаментальні закони фізики, включаючи загальну теорію відносності Альберта Ейнштейна. Дослідники з Женевського університету (UNIGE) і Тулузи III – Поль Сабатьє нещодавно проаналізували дані дослідження темної енергії, щоб порівняти прогнози Ейнштейна зі спостережуваними космічними явищами. Вони виявили невелику розбіжність, яка змінюється в різні епохи історії Всесвіту.

Ці висновки, опубліковані в Nature Communications, викликають сумніви щодо здатності теорій Ейнштейна повністю пояснити поведінку Всесвіту в найбільших масштабах.

Рівняння Ейнштейна стикаються з таємницями Всесвіту

Теорія Альберта Ейнштейна припускає, що Всесвіт спотворений матерією, подібно до того, як гнучка плівка згинається під важким предметом. Ці спотворення, створені гравітаційним тяжінням масивних небесних тіл, називаються «гравітаційними колодязями». Коли світло проходить через цей нерівний ландшафт, його шлях вигинається, проходячи через ці колодязі, подібно до того, як скляна лінза перенаправляє світло. Але тут сила тяжіння, а не скло, викривляє світло. Цей ефект відомий як «гравітаційне лінзування».

Спостереження за допомогою гравітаційного лінзування допомагає вченим зрозуміти склад, історію та розширення Всесвіту. Перше вимірювання цього ефекту, зроблене під час сонячного затемнення в 1919 році, підтвердило передбачення Ейнштейна про відхилення світла — вдвічі більше, ніж те, що передбачала теорія Ісаака Ньютона. Ця розбіжність виникла через те, що Ейнштейн представив новаторську концепцію: час, як і простір, спотворюється гравітацією, створюючи точну кривизну, яка вигинає світло.

Перевірка універсальних теорій за допомогою сучасних даних

Чи ці рівняння все ще дійсні на краю Всесвіту? Це питання досліджують багато вчених, які прагнуть кількісно визначити щільність матерії в космосі та зрозуміти прискорення її розширення. Команда з університетів Женеви (UNIGE) і Тулузи III, Пол Сабатьє, використовуючи дані дослідження темної енергії — проекту, що відображає форми сотень мільйонів галактик — надає нові ідеї.

«До цього часу дані дослідження темної енергії використовувалися для вимірювання розподілу матерії у Всесвіті. У нашому дослідженні ми використовували ці дані для прямого вимірювання викривлення часу та простору, що дозволило нам порівняти наші висновки з передбаченнями Ейнштейна», — каже Каміль Бонвен, доцент кафедри теоретичної фізики факультету природничих наук UNIGE, яка керувала дослідженнями.

Невелика розбіжність

Дані Dark Energy Survey дозволяють вченим заглянути глибоко в космос і, отже, далеко в минуле. Французько-швейцарська команда проаналізувала 100 мільйонів галактик у чотирьох різних точках історії Всесвіту: 3,5, 5, 6 і 7 мільярдів років тому. Ці вимірювання показали, як гравітаційні ями еволюціонували з часом, охоплюючи більше половини історії космосу.

«Ми виявили, що в далекому минулому — 6 і 7 мільярдів років тому — глибина колодязів добре узгоджується з прогнозами Ейнштейна. Однак ближче до сьогоднішнього дня, 3,5 і 5 мільярдів років тому, вони трохи дрібніші, ніж передбачав Ейнштейн», – розповідає Ісаак Тутусаус, асистент астронома в Інституті досліджень астрофізики та планетології (IRAP/OMP) Університету Тулузи III – Пол Сабатьє. і провідний автор дослідження.

Також у цей період, ближче до сьогоднішнього дня, почало прискорюватися розширення Всесвіту. Тому відповідь на два явища — прискорення Всесвіту та повільніше зростання гравітаційних ям — може бути однаковою: гравітація може діяти за іншими фізичними законами у великих масштабах, ніж ті, що передбачив Ейнштейн.

Кинути виклик Ейнштейну?

«Наші результати показують, що передбачення Ейнштейна мають несумісність 3 сигма з вимірюваннями. Мовою фізики такий поріг несумісності викликає наш інтерес і вимагає подальших досліджень. Але ця несумісність на даному етапі недостатньо велика, щоб спростувати теорію Ейнштейна. Щоб це сталося, нам потрібно досягти порогу в 5 сигм. Тому важливо мати більш точні вимірювання, щоб підтвердити або спростувати ці початкові результати, а також з’ясувати, чи залишається ця теорія дійсною в нашому Всесвіті на дуже великих відстанях», – підкреслює Настасія Грімм, докторант кафедри теоретичної фізики UNIGE. та співавтор дослідження.

Команда готується проаналізувати нові дані космічного телескопа Евклід, запущеного рік тому. Оскільки Евклід спостерігає за Всесвітом із космосу, його вимірювання гравітаційної лінзи будуть значно точнішими. Крім того, очікується, що протягом шести років місії буде спостерігати близько 1,5 мільярда галактик. Це дасть змогу точніше вимірювати викривлення простору-часу, дозволяючи нам зазирнути далі в час і, зрештою, перевірити рівняння Ейнштейна.