Ученые проверили «Теорию относительности» Эйнштейна в космических масштабах и обнаружили нечто странное

Все во Вселенной обладает гравитацией и ощущает ее. Однако эта самая распространенная из всех фундаментальных сил является также и той, которая представляет наибольшие трудности для физиков.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна оказалась удивительно успешной в описании гравитации звезд и планет, но, похоже, она не совсем применима во всех масштабах.

Общая теория относительности прошла многолетнюю проверку наблюдениями, начиная с измерения Эддингтоном отклонения звездного света Солнцем в 1919 году и заканчивая недавним обнаружением гравитационных волн.

Однако пробелы в нашем понимании начинают появляться, когда мы пытаемся применить ее к чрезвычайно малым расстояниям, где действуют законы квантовой механики, или когда мы пытаемся описать всю Вселенную.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy, ученые вновь проверили теорию Эйнштейна на самых больших масштабах.

Они пишут в своем исследовании: Мы считаем, что наш подход может однажды помочь разрешить некоторые из самых больших загадок космологии, а результаты намекают на то, что общая теория относительности может нуждаться в доработке на таких масштабах.

Ошибочная модель?

Квантовая теория предсказывает, что пустое пространство, вакуум, наполнено энергией. Мы не замечаем ее присутствия, потому что наши приборы могут измерять только изменения энергии, а не ее общее количество.

Однако, согласно Эйнштейну, энергия вакуума обладает отталкивающей силой притяжения — она раздвигает пустое пространство. Интересно, что в 1998 году было обнаружено, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется (это открытие было отмечено Нобелевской премией по физике 2011 года).

Однако количество энергии вакуума, или темной энергии, как ее еще называют, необходимое для объяснения ускорения, на много порядков меньше, чем предсказывает квантовая теория.

Отсюда возникает большой вопрос, получивший название "старая проблема космологической постоянной", — действительно ли вакуумная энергия гравитирует, оказывая гравитационное воздействие и изменяя расширение Вселенной.

Если да, то почему ее гравитация намного слабее, чем предсказано? Если вакуум вообще не гравитирует, то что вызывает космическое ускорение?

Мы не знаем, что такое темная энергия, но мы должны предположить ее существование, чтобы объяснить расширение Вселенной.

Точно так же нам необходимо предположить наличие невидимой материи, которую называют темной материей, чтобы объяснить, как галактики и скопления эволюционировали и стали такими, какими мы их наблюдаем сегодня.

Эти предположения заложены в стандартную космологическую теорию ученых, называемую моделью холодной темной материи лямбда (LCDM), согласно которой в космосе 70 процентов темной энергии, 25 процентов темной материи и 5 процентов обычной материи. И эта модель удивительно успешно соответствует всем данным, собранным космологами за последние 20 лет.

Но тот факт, что большая часть Вселенной состоит из темных сил и вещества, принимающих странные значения, не имеющие смысла, заставил многих физиков задуматься, не нуждается ли теория гравитации Эйнштейна в модификации для описания всей Вселенной.

Новый поворот возник несколько лет назад, когда стало очевидно, что разные способы измерения скорости космического расширения, называемой постоянной Хаббла, дают разные ответы — проблема, известная как "напряжение Хаббла".

Разногласия, или напряжение, возникают между двумя значениями постоянной Хаббла.

Одно из них — число, предсказанное космологической моделью LCDM, которая была разработана для соответствия свету, оставшемуся после Большого взрыва (космическое микроволновое фоновое излучение).

Другая — скорость расширения, измеренная путем наблюдения за взрывами звезд, известных как сверхновые, в далеких галактиках.

Было предложено множество теоретических идей о том, как изменить ЖКМ для объяснения хаббловского растяжения. Среди них — альтернативные теории гравитации.

В поисках ответов

Мы можем разработать тесты, чтобы проверить, подчиняется ли Вселенная правилам теории Эйнштейна.

Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление или искривление пространства и времени, изгибающее пути, по которым движутся свет и материя. Важно отметить, что теория предсказывает, что траектории световых лучей и материи должны изгибаться под действием гравитации одинаково.

Вместе с командой космологов мы проверили основные законы общей теории относительности. Мы также исследовали, может ли модификация теории Эйнштейна помочь решить некоторые открытые проблемы космологии, такие как Хаббловское напряжение.

Чтобы выяснить, верна ли общая теория относительности на больших масштабах, мы впервые решили одновременно исследовать три ее аспекта. Это расширение Вселенной, влияние гравитации на свет и влияние гравитации на материю.

Используя статистический метод, известный как байесовский вывод, мы реконструировали гравитацию Вселенной через космическую историю в компьютерной модели на основе этих трех параметров.

Мы смогли оценить параметры, используя данные космического микроволнового фона со спутника "Планк", каталоги сверхновых, а также наблюдения за формой и распределением далеких галактик с помощью телескопов SDSS и DES.

Затем мы сравнили нашу реконструкцию с предсказаниями модели LCDM (по сути, модель Эйнштейна).

Мы обнаружили интересные намеки на возможное несоответствие с предсказанием Эйнштейна, хотя и с довольно низкой статистической значимостью.

Это означает, что все же существует вероятность того, что гравитация работает по-другому на больших масштабах, и что теория общей относительности может нуждаться в корректировке.

Наше исследование также показало, что очень трудно решить проблему хаббловского натяжения, изменив только теорию гравитации.

Для полного решения, вероятно, потребуется новый ингредиент в космологической модели, присутствующий до того момента, когда протоны и электроны впервые объединились в водород сразу после Большого взрыва, например, особая форма темной материи, ранний тип темной энергии или первобытные магнитные поля.

Или, возможно, в данных есть еще неизвестная систематическая ошибка.

Тем не менее, наше исследование продемонстрировало возможность проверки достоверности общей теории относительности на космологических расстояниях с помощью данных наблюдений. Хотя мы еще не решили проблему Хаббла, через несколько лет у нас будет гораздо больше данных от новых зондов.

Это означает, что мы сможем использовать эти статистические методы, чтобы продолжать корректировать общую относительность, исследовать пределы модификаций, чтобы проложить путь к решению некоторых открытых проблем в космологии.The Conversation

Казуя Кояма, профессор космологии, Университет Портсмута и Левон Погосян, профессор физики, Университет Саймона Фрейзера