Rezultate privind testarea teoriei relativităţii generale la scara cosmică

Gravitația se manifestă peste tot în Univers. Cu toate acestea, cea mai comună dintre toate forțele fundamentale este și cea care îi provoacă cel mai mult pe fizicieni.

Teoria relativității generale a lui Albert Einstein a avut un succes remarcabil în a descrie gravitația stelelor și planetelor, dar aceasta nu se aplică perfect la toate scările dimensionale ale Universului.

Relativitatea generală a trecut de mulți ani testele observaționale, de la măsurarea lui Eddington a deviației luminii stelelor de către Soare în 1919 până la detectarea recentă a undelor gravitaționale. Cu toate acestea, lacune în înțelegerea noastră încep să apară atunci când încercăm să o aplicăm la distanțe extrem de mici, unde funcționează legile mecanicii cuantice sau când încercăm să descriem întregul Univers.

Noul nostru studiu, publicat în Nature Astronomy, a testat teoria lui Einstein pe cea mai mare dintre scările Universului. Credem că abordarea noastră ar putea ajuta într-o zi la rezolvarea unora dintre cele mai mari mistere din cosmologie, iar rezultatele sugerează că teoria relativității generale ar trebui modificată la această scară dimensională.

Mii de galaxii observate de telescopul spațial James Webb. Credit: NASA

Model teoretic greşit?

Teoria cuantică prezice că spațiul gol, vidul, este plin de energie. Nu observăm prezența acesteia, deoarece dispozitivele noastre pot măsura doar modificările locale de energie şi nu cantitatea totală de energie.

Cu toate acestea, conform lui Einstein, energia vidului induce un efect gravitaţional de respingere, adică împinge spațiul gol în exterior. Interesant este că în 1998 s-a descoperit că expansiunea Universului se accelerează (o constatare pentru care s-a acordat premiul Nobel pentru fizică în 2011). Surprinzător, cantitatea de energie din vid, sau energia întunecată, așa cum a fost numită, necesară pentru a explica accelerația este cu multe ordine de mărime mai mică decât ceea ce prezice teoria cuantică.

Prin urmare, marea întrebare, numită ”vechea problemă a constantei cosmologice”, este: Energia vidului exercită o forță gravitațională care modifică expansiunea Universului?

Dacă da, atunci de ce efectul gravitațional al energiei vidului este mult mai slab decât se prevede teoretic? Dacă vidul cuantic nu exercită un efect gravitaţional, atunci ce cauzează accelerația cosmică?

Nu știm ce este energia întunecată, dar trebuie să presupunem că există pentru a explica expansiunea Universului. În mod similar, trebuie să presupunem că există un tip de materie invizibilă, numită materie întunecată, pentru a explica modul în care galaxiile și clusterele galactice au evoluat pentru a fi așa cum le observăm astăzi.

Aceste ipoteze sunt incluse în teoria cosmologică standard a oamenilor de știință, numită modelul lambda de materie întunecată rece (LCDM-lambda cold dark matter), care sugerează că există 70% energie întunecată, 25% materie întunecată și 5% materie obișnuită în cosmos. Acest model teoretic a avut un succes remarcabil pe baza tuturor datelor obţinute de cosmologi în ultimii 20 de ani.

Cu toate acestea, faptul că cea mai mare parte a Universului este alcătuită din forțe și substanțe „întunecate” având valori ciudate care nu au sens, i-a determinat pe mulți fizicieni să se întrebe dacă teoria gravitației a lui Einstein are nevoie de o modificare pentru a descrie întregul Univers.

O nouă întorsătură a apărut în urmă cu câțiva ani, atunci când a devenit evident că diferitele moduri de măsurare a ratei expansiunii cosmice, numita constanta Hubble, oferă răspunsuri diferite, o provocare cunoscută sub numele de problema Hubble.

Problema Hubble se referă la diferenţele dintre valorile constantei Hubble. O valoare este cea prezisă de modelul cosmologic LCDM, care a fost dezvoltat pentru a se potrivi cu radiaţia rămasă de la Big Bang (radiația cosmică de fond). Cealaltă valoare este rata de expansiune a Universului măsurată prin observarea stelelor care explodează (supernove) în galaxii îndepărtate.

Radiația cosmică de fond. Credit: NASA

Au fost propuse mai multe soluţii teoretice de modificare a LCDM pentru a explica problema Hubble. Printre acestea se numără şi teoriile gravitaționale alternative.

Căutarea răspunsurilor

Putem imagina teste pentru a verifica dacă Universul respectă regulile teoriei lui Einstein. Relativitatea generală descrie gravitația ca fiind curbura sau deformarea spațiului și timpului, cea care curbează traiectoriile de-a lungul cărora se deplasează lumina și materia.

Foarte important, relativitatea generală prezice că traiectoriile razelor de lumină și ale materiei ar trebui să fie curbate de gravitație în același mod.

Împreună cu o echipă de cosmologi am testat legile de bază ale relativității generale. De asemenea, am explorat dacă modificarea teoriei lui Einstein ar putea ajuta la rezolvarea unora dintre problemele deschise ale cosmologiei, cum ar fi problema Hubble.

Pentru a afla dacă relativitatea generală este corectă la scară mare, ne-am propus, pentru prima dată, să investigăm simultan trei aspecte ale acesteia. Acestea au fost expansiunea Universului, efectele gravitației asupra luminii și efectele gravitației asupra materiei.

Folosind o metodă statistică cunoscută sub numele de inferență bayesiană, am reconstruit gravitația Universului prin istoria cosmică într-un model computerizat bazat pe acești trei parametri. Astfel, am putut estima parametrii folosind datele radiaţiei cosmice de fond de la satelitul Planck, cataloagele de supernove, precum și observațiile formelor și distribuției galaxiilor îndepărtate obţinute de către telescoapele SDSS și DES. Apoi am comparat reconstrucția noastră cu predicția modelului LCDM (în esență modelul lui Einstein).

Noi am găsit indicii despre o posibilă nepotrivire cu predicția lui Einstein, deși cu o semnificație statistică destul de scăzută. Aceasta înseamnă că există totuși posibilitatea ca gravitația să funcționeze diferit la scară mare și că teoria relativității generale ar trebui să fie modificată.

Studiul nostru a mai constatat că este foarte dificil să rezolvăm problema Hubble doar schimbând teoria gravitației. Soluția completă ar necesita, probabil, un nou ingredient în modelul cosmologic, prezent înainte de momentul când protonii și electronii s-au combinat, pentru prima dată, pentru a forma hidrogen imediat după Big Bang. Acesta ar putea fi o formă specială de materie întunecată, un tip timpuriu de energie întunecată sau câmpuri magnetice primordiale. Sau, poate, există o eroare sistematică, încă necunoscută, în datele noastre.

Acestea fiind spuse, studiul nostru a demonstrat că este posibil să se testeze validitatea relativității generale pe distanțe cosmologice folosind datele observaționale. Deși nu am rezolvat încă problema Hubble, vom avea mult mai multe date de la noile sonde în câțiva ani.

Aceasta înseamnă că vom putea folosi aceste metode statistice pentru a continua să modificăm relativitatea generală, să explorăm limitele modificărilor, deschizând astfel calea rezolvării unora dintre provocările deschise din cosmologie.

Traducere după We tested Einstein’s theory of gravity on the scale of the universe – here’s what we found