Публикувана през 1915 г., теорията на Айнщайн за обща относителност (GR) премина първото си голямо изпитание само няколко години по-късно, когато по време на слънчевото затъмнение през 1919 г. се наблюдава прогнозираното гравитационно отклонение на светлината, минаваща близо до Слънцето.
През 1960 г. GR премина първият си голям тест в лаборатория, тук на Земята; експериментът Паунд-Ребка. И през деветте десетилетия от публикуването си, GR премина тест след тест след тест, винаги с летящи цветове (вижте този преглед за отлично обобщение).
Но тестовете винаги са били в Слънчевата система или по друг начин индиректни.
Сега екип, ръководен от учени от университета в Принстън, е тествал GR, за да провери дали това е вярно в космически мащаби. И след две години анализиране на астрономически данни, учените стигнаха до заключението, че теорията на Айнщайн работи също толкова на огромни разстояния, колкото в други местни райони в Космоса.
Анализът на учените на повече от 70 000 галактики показва, че Вселената - поне на разстояние от 3,5 милиарда светлинни години от Земята - играе по правилата, изложени от Айнщайн в неговата известна теория. Докато GR е приета от научната общност повече от девет десетилетия, досега никой не е тествал теорията толкова старателно и стабилно на разстояния и мащаби, които надхвърлят Слънчевата система.
Рейнабел Рейес, аспирант в Принстън в катедрата по астрофизични науки, заедно със съавторите Рейчъл Манделбаум, асоцииран изследовател и Джеймс Гън, професор по астрономия Евгений Хигинс, изложи своята оценка в изданието на Nature от 11 март.
Други учени, които сътрудничат на хартията, са Тобиас Балдауф, Лукас Ломбризер и Робърт Смит от университета в Цюрих и Урос Селяк от Калифорнийския университет в Беркли.
Резултатите са важни, казаха те, защото те представят съвременни теории, обясняващи формата и посоката на Вселената, включително идеи за тъмната енергия, и разсеяха някои намеци от други скорошни експерименти, че общата относителност може да не е наред.
„Всички наши идеи в астрономията са базирани на тази наистина огромна екстраполация, така че всичко, което можем да направим, за да видим дали това е правилно или не в тези мащаби, е просто изключително важно“, каза Гун. „Това добавя още една тухла към основата, която е в основата на това, което правим.“
GR е една, от две, основни теории, залегнали в основата на цялата съвременна астрофизика и космология (другата е Стандартният модел на физиката на частиците, квантова теория); обяснява всичко - от черните дупки до Големия взрив.
През последните години бяха предложени няколко алтернативи на общата относителност. Тези модифицирани теории за гравитацията се отклоняват от общата относителност в големи мащаби, за да заобиколят нуждата от тъмна енергия, тъмна материя или и двете. Но тъй като тези теории са създадени да отговарят на прогнозите на общата относителност за историята на разширяването на Вселената, фактор, който е централен за текущата космологична работа, стана решаващо да се разбере коя теория е правилна или поне представя реалността най-добре като може да бъде приблизително.
„Знаехме, че трябва да разгледаме мащабната структура на Вселената и растежа на по-малки структури, съставящи я с времето, за да разберем“, каза Рейес. Екипът използва данни от Sloan Digital Sky Survey (SDSS), дългосрочен многоинституционален проект за телескоп, картографиращ небето, за да определи положението и яркостта на няколкостотин милиона галактики и квазари.
Чрез изчисляване на струпването на тези галактики, които се простират почти на една трета от пътя до ръба на Вселената, и анализирайки скоростта и изкривяването им от интервенционния материал - поради слабото лещиране, предимно от тъмната материя - изследователите показват, че Айнщайн теорията обяснява близката Вселена по-добре от алтернативните теории на гравитацията.
Учените от Принстън изследвали влиянието на гравитацията върху галактиките SDSS и групите галактики за дълги периоди от време. Те наблюдават как тази фундаментална сила задвижва галактиките, за да се сглоби в по-големи колекции от галактики и как оформя разширяването на Вселената.
Критично, тъй като относителността изисква кривината на пространството да бъде равна на кривината на времето, изследователите биха могли да изчислят дали светлината е повлияна в равни количества и от двете, както трябва да бъде, ако общата относителност е вярна.
„Това е първият път, когато този тест се провежда изобщо, така че това е доказателство за концепция“, каза Манделбаум. „Предвидени са и други астрономически проучвания за следващите няколко години. Сега, когато знаем, че този тест работи, ще можем да го използваме с по-добри данни, които скоро ще бъдат достъпни, за да ограничат по-плътно теорията на гравитацията. “
Укрепването на предсказателните сили на GR може да помогне на учените да разберат по-добре дали настоящите модели на Вселената имат смисъл, казват учените.
„Всеки тест, който можем да направим, за да изградим увереността си в прилагането на тези много красиви теоретични неща, но които не са тествани по тези мащаби, е много важен“, каза Гун. „Това със сигурност помага, когато се опитвате да правите сложни неща, за да разберете основите. И това е много, много, много фундаментално нещо. "
„Хубавото при преминаването към космологичния мащаб е, че можем да тестваме всяка пълна алтернативна теория на гравитацията, защото тя трябва да предскаже нещата, които наблюдаваме“, каза съавторът Урос Селяк, професор по физика и астрономия в UC Berkeley и учен факултет в Националната лаборатория на Лорънс Бъркли, който в момента е в отпуск в Института по теоретична физика на университета в Цюрих. „Онези алтернативни теории, които не изискват тъмна материя, провалят тези тестове.“
Източници: „Учените от Принстън твърдят, че теорията на Айнщайн се прилага извън Слънчевата система“ (Принстънския университет), „Проучването потвърждава общата относителност в космически мащаб, съществуването на тъмна материя“ (Университета на Калифорния Бъркли), „Потвърждение на общата относителност на големи скали от слаби обектив и скорости на галактиката ”(Nature, arXiv предпечат)
