Опублікована в 1915 р. Теорія загальної відносності Ейнштейна (GR) пройшла свій перший великий тест лише через кілька років, коли передбачуване гравітаційне відхилення світла, що проходить поблизу Сонця, спостерігалося під час затемнення Сонця 1919 року.
У 1960 році GR пройшов перший великий тест у лабораторії, тут, на Землі; експеримент Фунт-Ребка. І впродовж дев'яти десятиліть з моменту публікації GR проходив тест після випробування після випробування, завжди з літаючими кольорами (ознайомтеся з цим оглядом на відмінне резюме).
Але випробування завжди були всередині Сонячної системи або інакше непрямими.
Зараз команда під керівництвом вчених Університету Прінстона перевірила ГР, щоб перевірити, чи справджується вона в космічних масштабах. І після двох років аналізу астрономічних даних вчені прийшли до висновку, що теорія Ейнштейна працює так само, як і на великих відстанях, як і в інших місцевих регіонах космосу.
Аналіз вчених понад 70 000 галактик демонструє, що Всесвіт - як мінімум, на відстані 3,5 мільйона світлових років від Землі - грає за правилами, викладеними Ейнштейном у його знаменитій теорії. У той час як GR прийнято науковим співтовариством більше дев'яти десятиліть, до цих пір ніхто не перевіряв цю теорію настільки ретельно і надійно на відстанях і масштабах, що виходять за межі Сонячної системи.
Рейнабел Рейєс, аспірантка Принстона на кафедрі астрофізичних наук, разом із співавтором Рейчел Мандельбаум, науковий співробітник, та Джеймсом Ганном, професором астрономії Євгена Хіггінса, виклали свою оцінку у виданні Nature, присвяченому 11 березня.
Інші науковці, які співпрацюють над документом, включають Тобіаса Бальдауфа, Лукаса Ломбрізера та Роберта Сміта з університету Цюріха та Уроса Селяка з Каліфорнійського університету-Берклі.
За їх словами, результати є важливими, оскільки вони висвітлюють сучасні теорії, що пояснюють форму і напрямок Всесвіту, включаючи уявлення про темну енергію, і відганяють деякі натяки з інших останніх експериментів, що загальна відносність може бути неправильною.
"Всі наші ідеї в астрономії ґрунтуються на цій дійсно величезній екстраполяції, тому все, що ми можемо зробити, щоб зрозуміти, чи правильно це чи ні в цих масштабах, є просто надзвичайно важливим", - сказав Ганн. "Це додає ще одну цеглу до фундаменту, який лежить в основі того, що ми робимо".
GR - одна з двох основних теорій, що лежать в основі всієї сучасної астрофізики та космології (інша - Стандартна модель фізики частинок, квантова теорія); це пояснює все - від чорних дір до Великого вибуху.
В останні роки було запропоновано кілька альтернатив загальній відносності. Ці модифіковані теорії сили тяжіння відходять від загальної відносності на великих масштабах, щоб обійти потребу в темній енергії, темній речовині або обох. Але оскільки ці теорії були розроблені так, щоб відповідати прогнозам загальної відносності про історію розширення Всесвіту, фактору, який є центральним у сучасній космологічній роботі, стало важливо знати, яка теорія є правильною, або принаймні представляє реальність якнайкраще можна наблизити.
"Ми знали, що нам потрібно вивчити масштабну структуру Всесвіту і зростання менших структур, що складають її з часом, щоб це з'ясувати", - сказав Рейєс. Команда використовувала дані з опитування цифрового неба Sloan (SDSS), багаторічного багатопрофільного телескопного проектування карти неба, щоб визначити положення та яскравість кількох сотень мільйонів галактик та квазарів.
Обчислюючи скупчення цих галактик, які простягаються майже на третину шляху до краю Всесвіту, та аналізуючи їх швидкість та спотворення від матеріалу, що втручається - через слабке лінзування, насамперед темною речовиною - дослідники показали, що Ейнштейн теорія пояснює сусідній Всесвіт краще, ніж альтернативні теорії тяжіння.
Вчені з Принстона вивчали вплив гравітації на галактики SDSS та скупчення галактик протягом тривалих періодів часу. Вони спостерігали, як ця основна сила змушує галактики збиратися у більші колекції галактик і як вона формує розширення Всесвіту.
Критично, оскільки відносність вимагає, щоб кривизна простору дорівнювала кривизні часу, дослідники могли обчислити, чи впливали на світло однакові величини, як це має бути, якщо загальна відносність справджується.
"Це вперше цей тест був проведений взагалі, тому це доказ концепції", - сказав Мандельбаум. «Існують інші астрономічні дослідження, які плануються на найближчі кілька років. Тепер, коли ми знаємо, що цей тест працює, ми зможемо використовувати його з кращими даними, які будуть доступні незабаром для більш жорсткого обмеження теорії гравітації ».
Посилення прогнозних можливостей ГР може допомогти вченим краще зрозуміти, чи мають сучасні моделі Всесвіту сенс, вчені зазначили.
"Будь-який тест, який ми можемо зробити у формуванні нашої впевненості у застосуванні цих дуже красивих теоретичних речей, але які не були випробувані на цих масштабах, є дуже важливим", - сказав Ганн. «Це, безумовно, допомагає, коли ви намагаєтесь робити складні речі для розуміння основ. І це дуже, дуже, дуже фундаментальна річ ».
"Найприємніше в тому, щоб перейти до космологічного масштабу, це те, що ми можемо перевірити будь-яку повну, альтернативну теорію гравітації, тому що вона повинна передбачити те, що ми спостерігаємо", - сказав співавтор Урос Селяк, професор фізики та астрономії в УК Берклі та вчений-викладач Національної лабораторії Лоуренса Берклі, який зараз перебуває у відпустці в Інституті теоретичної фізики університету Цюріха. "Ті альтернативні теорії, які не потребують темної речовини, проходять ці випробування".
Джерела: «Вчені Принстона кажуть, що теорія Ейнштейна застосовується за межами Сонячної системи» (Принстонський університет), «Дослідження підтверджує загальну відносність у космічному масштабі, існування темної речовини» (Університет Каліфорнії Берклі), «Підтвердження загальної відносності на великих масштабах від слабких об'єктивні та галактичні швидкості ”(Природа, передрук arXiv)
