Vuonna 1915 julkaistu Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria (GR) suoritti ensimmäisen suuren testin vain muutamaa vuotta myöhemmin, kun aurinkoon kulkevan valon ennustettu gravitaatiopoikkeama havaittiin vuoden 1919 auringonpimennyksen aikana.
Vuonna 1960 GR läpäisi ensimmäisen suuren testinsä laboratoriossa, täällä maan päällä; Pound-Rebka -koe. Ja yhdeksän vuosikymmenen ajan julkaisunsa jälkeen, GR on läpäissyt testin testin jälkeen, aina lentävillä väreillä (tarkista tämä arvostelu erinomaisesta yhteenvedosta).
Mutta testit ovat aina olleet aurinkokunnan sisällä tai muuten epäsuoria.
Nyt Princetonin yliopiston tutkijoiden johtama ryhmä on testannut GR: n nähdäkseen, pitäekö se paikkansa kosmisissa mittakaavoissa. Ja kahden vuoden ajan tutkittuaan tähtitieteellisiä tietoja, tutkijat ovat päätellyt, että Einsteinin teoria toimii samoin suurilla etäisyyksillä kuin paikallisissa avaruusalueissa.
Tutkijoiden analyysi yli 70 000 galaksista osoittaa, että maailmankaikkeus - ainakin 3,5 miljardin valovuoden etäisyydellä Maasta - pelataan Einsteinin kuuluisassa teoriassaan asettamien sääntöjen mukaisesti. Vaikka tiedeyhteisö on hyväksynyt GR: n yli yhdeksän vuosikymmenen ajan, toistaiseksi kukaan ei ollut testannut teoriaa niin perusteellisesti ja tukevasti etäisyyksillä ja asteikkoilla, jotka ylittävät aurinkokunnan.
Reinabelle Reyes, Princetonin astrofysiikan laitoksen jatko-opiskelija, yhdessä avustajien Rachel Mandelbaumin kanssa, assosioitunut tutkija, ja James Gunn, Eugene Higginsin tähtitieteen professori, esitteli arviointinsa 11. maaliskuuta ilmestyvässä Nature-lehdessä.
Muita tutkijan kanssa työskenteleviä tutkijoita ovat Tobias Baldauf, Lucas Lombriser ja Robert Smith Zürichin yliopistosta ja Uros Seljak Kalifornian yliopistosta Berkeley.
Tulokset ovat tärkeitä, he väittivät, koska ne ohjaavat nykyisiä teorioita, jotka selittävät maailmankaikkeuden muodon ja suunnan, mukaan lukien ideat pimeästä energiasta, ja poistavat joitain vihjeitä muista viimeaikaisista kokeista, joiden mukaan yleinen suhteellisuusteoria voi olla väärä.
"Kaikki tähtitieteen ideat perustuvat tähän todella valtavaan ekstrapolointiin, joten kaikki, mitä voimme tehdä nähdäksemme, onko tämä totta näillä asteikkoilla vai ei, on vain erittäin tärkeää", Gunn sanoi. "Se lisää perustalle uuden tiilen, joka perustuu siihen, mitä teemme."
GR on yksi kahdesta keskeisestä teoriasta, jotka ovat kaiken nykyajan astrofysiikan ja kosmologian taustalla (toinen on hiukkasfysiikan vakiomalli, kvanttiteoria); se selittää kaiken mustista reikistä Big Bang: iin.
Viime vuosina on ehdotettu useita vaihtoehtoja yleiselle suhteellisuudelle. Nämä muutetut painovoiman teoriat poikkeavat suuressa mittakaavassa yleisestä suhteellisuudesta, jotta voidaan välttää pimeän energian, tumman aineen tai molempien tarve. Mutta koska nämä teoriat on suunniteltu vastaamaan yleisen relatiivisuuden suhteen liittyviä ennusteita maailmankaikkeuden laajenemishistoriasta, tekijästä, joka on keskeinen nykyisessä kosmologisessa työssä, on tullut tärkeä tietää, mikä teoria on oikea tai edustaa ainakin todellisuutta niin hyvin kuin voidaan lähentää.
"Tiesimme, että meidän on selvitettävä maailmankaikkeuden laaja-alaista rakennetta ja pienempiä rakenteita, jotka muodostavat sen ajan kuluessa saadakseen selville", Reyes sanoi. Ryhmä käytti Sloan Digital Sky Survey (SDSS) -tietoa, joka on pitkäaikainen, monien laitosten teleskooppiprojekti, joka kartoittaa taivasta määrittämään useiden satojen miljoonien galaksien ja kvaasarien sijainnin ja kirkkauden.
Laskemalla näiden galaksien ryhmittymät, jotka ulottuvat lähes kolmanneksella tiestä maailmankaikkeuden reunaan, ja analysoimalla niiden nopeudet ja vääristymät väliintulosta johtuvasta materiaalista - heikosta linssistä johtuen, pääasiassa tumman aineen avulla - tutkijat ovat osoittaneet, että Einsteinin teoria selittää läheisen maailmankaikkeuden paremmin kuin vaihtoehtoiset painovoiman teoriat.
Princetonin tutkijat tutkivat painovoiman vaikutuksia SDSS-galakseihin ja galaksien klustereihin pitkien ajanjaksojen ajan. He havaitsivat, kuinka tämä perusvoima ajaa galaksit ryhtymään suurempiin galaksikokoelmiin ja kuinka se muodostaa maailmankaikkeuden laajenemisen.
Kriittisesti, koska suhteellisuusteoria edellyttää, että tilan kaarevuus on yhtä suuri kuin ajan kaarevuus, tutkijat voivat laskea, vaikuttivatko valoon yhtä suuret määrät molemmat, kuten pitäisi olla, jos yleinen relatiivisuus on totta.
"Tämä on ensimmäinen kerta, kun testi tehtiin lainkaan, joten se on todiste konsepista", Mandelbaum sanoi. ”Lähivuosille on suunniteltu muita tähtitieteellisiä tutkimuksia. Nyt kun tiedämme, että tämä testi toimii, pystymme käyttämään sitä paremmin saatavana olevan tiedon kanssa, joka on pian saatavilla, jotta voimme tiukentaa painovoiman teoriaa. "
GR: n ennustevoimien vahvistaminen voi auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin, ovatko nykyiset maailmankaikkeuden mallit järkeviä, tutkijat sanoivat.
"Jokainen testi, jonka voimme tehdä luottamuksen lisäämisessä näiden erittäin kauniiden teoreettisten asioiden soveltamiseen, mutta joita ei ole testattu näillä asteikoilla, on erittäin tärkeä", Gunn sanoi. ”Se auttaa varmasti, kun yrität tehdä monimutkaisia asioita ymmärtääksesi perusteet. Ja tämä on erittäin, hyvin, erittäin perustavanlaatuinen asia. "
"Hieno asia kosmologiseen mittakaavaan siirtymisessä on, että voimme testata mitä tahansa täydellistä, vaihtoehtoista painovoiman teoriaa, koska sen pitäisi ennustaa havaitsemiamme asioita", kertoi UC Selke, UC Selke, fysiikan ja tähtitieteen professori. ja tiedekunnan tutkija Lawrence Berkeleyn kansallisessa laboratoriossa, joka on tällä hetkellä lomalla Zürichin yliopiston teoreettisen fysiikan instituutissa. "Ne vaihtoehtoiset teoriat, jotka eivät vaadi tummaa ainetta, epäonnistuvat näissä kokeissa."
Lähteet: “Princetonin tutkijoiden mukaan Einsteinin teoria ulottuu aurinkokunnan ulkopuolelle” (Princetonin yliopisto), “Tutkimus vahvistaa yleisen suhteellisuusteorian kosmisessa mittakaavassa, tumman aineen olemassaolon” (Kalifornian yliopisto Berkeley), “Vahvuuden vahvistus yleiselle suhteellisuudelle suuressa mittakaavassa heikosta linssin ja galaksin nopeudet ”(Nature, arXiv preprint)
