Всичко във Вселената има гравитация – и също така я усеща. И все пак най-често срещаната от всички фундаментални сили е и сред най-големите предизвикателства за физиците.
Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн е забележително успешна при описването на гравитацията на звездите и планетите, но, изглежда, не е приложима във всички мащаби, пише ScienceAlert.
Общата теория на относителността е преминала през много години на наблюдателни тестове – от измерването на Едингтън на отклонението на звездната светлина от гравитационното поле на Слънцето през 1919 г. до скорошното откриване на гравитационните вълни.
Въпреки това започват да се появяват пропуски в разбирането на учените, когато се опитват да го приложат към изключително малки разстояния, където действат законите на квантовата механика, или когато се опитват да опишат цялата Вселена.
Ново изследване, публикувано в Nature Astronomy, тества теорията на Айнщайн в най-големия мащаб. Учените смятат, че техният подход може един ден да помогне за разрешаването на някои от най-големите мистерии в космологията и резултатите намекват, че общата теория на относителността може да се наложи да бъде променена в този мащаб.
Дефектен модел?
Квантовата теория предвижда, че празното пространство, вакуумът, е пълно с енергия. Учените не фиксират присъствието ѝ, защото техните инструменти могат да измерват само промените в енергията, а не нейното общо количество.
Според Айнщайн обаче енергията на вакуума има отблъскваща сила – тя раздалечава празното пространство. Интересното е, че през 1998 г. е открито, че разширението на Вселената всъщност се ускорява (откритие, удостоено с Нобелова награда за физика за 2011 г.).
Въпреки това количеството вакуумна енергия, или тъмна енергия, необходимо за обяснение на ускорението, е на много порядъци по-малко от това, което прогнозира квантовата теория.
Следователно големият въпрос, наречен старият проблем с космологичната константа, е дали вакуумната енергия действително гравитира – упражнявайки гравитационна сила и променяйки разширяването на Вселената.
Ако да, тогава защо гравитацията ѝ е толкова по-слаба от предвиденото? Ако вакуумът изобщо не гравитира, какво причинява космическото ускорение? Не знаем какво е тъмна енергия, но трябва да приемем, че съществува, за да обясним разширяването на Вселената.
По същия начин трябва да приемем, че има присъствие на невидима материя, наречена тъмна материя, за да обясним как галактиките и галактичните купове са еволюирали, за да бъдат такива, каквито ги наблюдаваме днес.
Тези предположения са включени в стандартната космологична теория на учените, наречена Ламбда студена тъмна материя (Ламбда-CDM или ΛCDM), която предполага, че в Космоса има 70 процента тъмна енергия, 25 процента тъмна материя и 5 процента обикновена материя. И този модел бил забележително успешен за вписването на всички данни, събрани от космолозите през последните 20 години.
Но фактът, че по-голямата част от Вселената е съставена от тъмни сили и вещества, приемащи странни стойности, които нямат смисъл, накарал много физици да се чудят дали теорията на Айнщайн за гравитацията не се нуждае от модификация, за да опише цялата Вселена.
Преди няколко години се появи нов обрат, когато стана ясно, че различни начини за измерване на скоростта на космическото разширение, наречена константа на Хъбъл, дават различни отговори – проблем, известен като напрежението на Хъбъл.
Несъгласието, или напрежението, е между две стойности на константата на Хъбъл. Едната е числото, предсказано от космологичния модел ΛCDM, разработен, за да съответства на светлината, останала от Големия взрив (космическото микровълново фоново лъчение). Другата е скоростта на разширение, измерена чрез наблюдение на експлодиращи звезди, известни като свръхнови, в далечни галактики.
Били предложени много теоретични идеи за модифициране на ΛCDM, за да се обясни напрежението на Хъбъл. Сред тях са алтернативните теории за гравитацията.
Търсене на отговори
Учените могат да създават тестове, за да проверят дали Вселената се подчинява на правилата на теорията на Айнщайн.
Общата теория на относителността описва гравитацията като изкривяване на пространство-времето, огъвайки пътищата, по които се движат светлината и материята. Тя прогнозира, че траекториите на светлинните лъчи и материята трябва да се огъват от гравитацията по същия начин.
Екип физици и космолози е тествал основните закони на общата теория на относителността и е изследвал дали модифициране на теорията на Айнщайн може да помогне за разрешаването на някои от откритите проблеми на космологията, като например напрежението на Хъбъл.
За да разберат дали общата теория на относителността е вярна в големи мащаби, учените се заели за първи път да изследват едновременно три аспекта от нея. Това били разширението на Вселената, ефектите на гравитацията върху светлината и ефектите на гравитацията върху материята.
Използвайки статистически метод, известен като теорема на Байес, изследователите реконструирали гравитацията на Вселената през космическата история в компютърен модел, базиран на тези три параметъра. Учените оценили параметрите, използвайки космически микровълнови фонови данни от телескопа „Планк“, каталози на свръхнови, както и наблюдения на формите и разпределението на далечни галактики от телескопите SDSS и DES. След това сравнили реконструкцията с прогнозата на ΛCDM модела (по същество модела на Айнщайн).
Изследователите открили интересни намеци за възможно несъответствие с прогнозата на Айнщайн, макар и с доста ниска статистическа значимост. Това означава, че все пак съществува възможност гравитацията да работи по различен начин в големи мащаби и че общата теория на относителността може да се наложи да бъде променена.
Изследването е установило също, че е много трудно да се реши проблемът с напрежението на Хъбъл само чрез промяна на теорията за гравитацията. Пълното решение вероятно ще изисква нова съставка в космологичния модел, присъстваща преди времето, когато протоните и електроните за първи път са се комбинирали, за да образуват водород веднага след Големия взрив, като специална форма на тъмна материя, ранен тип тъмна енергия или първични магнитни полета.
Или може би има все още неизвестна системна грешка в данните.
Въпреки това изследването показва, че е възможно да се тества валидността на общата теория на относителността върху космологични разстояния, като се използват данни от наблюдения. Въпреки че все още учените не са решили проблема с Хъбъл, те разчитат на много повече данни от нови сонди след няколко години.
Статията е авторска на Казуя Кояма – професор по космология в Университета в Портсмут, и Левон Погосян – професор по физика в Университета Саймън Фрейзър.
ОЩЕ: Големият взрив не е началото на Вселената?
