Опубликованная в 1915 году теория общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна прошла свое первое большое испытание спустя всего несколько лет, когда предсказанное гравитационное отклонение света, проходящего вблизи Солнца, наблюдалось во время солнечного затмения 1919 года.
В 1960 году GR прошла первое большое испытание в лаборатории, здесь, на Земле; эксперимент Фунта-Ребки. И в течение девяти десятилетий, прошедших с момента его публикации, GR прошла тест за тестом за тестом, всегда с яркими цветами (см. Этот обзор для превосходного резюме).
Но испытания всегда проводились в солнечной системе или были косвенными.
Теперь команда, возглавляемая учеными Принстонского университета, проверила GR, чтобы увидеть, верно ли это в космических масштабах. И после двух лет анализа астрономических данных ученые пришли к выводу, что теория Эйнштейна работает так же на огромных расстояниях, как и в более локальных областях космоса.
Анализ, проведенный учеными в отношении более 70 000 галактик, показывает, что Вселенная - по крайней мере на расстоянии 3,5 миллиардов световых лет от Земли - играет по правилам, установленным Эйнштейном в его знаменитой теории. В то время как GR была признана научным сообществом на протяжении более девяти десятилетий, до сих пор никто не проверял теорию настолько тщательно и надежно на расстояниях и масштабах, которые выходят далеко за пределы Солнечной системы.
Рейнабель Рейес, аспирант Принстона на факультете астрофизических наук, вместе с соавторами Рейчел Мандельбаум, ассоциированным научным сотрудником, и Джеймс Ганн, профессор астрономии Юджина Хиггинса, изложили свою оценку в издании Nature от 11 марта.
Другие ученые, сотрудничающие в работе над документом, включают Тобиаса Балдауфа, Лукаса Ломбрайзера и Роберта Смита из Цюрихского университета и Уроса Селяка из Калифорнийского университета в Беркли.
Результаты важны, по их словам, потому что они поддерживают современные теории, объясняющие форму и направление Вселенной, включая идеи о темной энергии, и рассеивают некоторые намеки из других недавних экспериментов, что общая теория относительности может быть неправильной.
«Все наши идеи в астрономии основаны на этой действительно огромной экстраполяции, поэтому все, что мы можем сделать, чтобы увидеть, правильно ли это в этих масштабах, просто невероятно важно», - сказал Ганн. «Это добавляет еще один кирпич к фундаменту, который лежит в основе того, что мы делаем».
ОТО - это одна из двух основных теорий, лежащих в основе всей современной астрофизики и космологии (другая - это Стандартная модель физики элементарных частиц, квантовая теория); это объясняет все, от черных дыр до Большого взрыва.
В последние годы было предложено несколько альтернатив общей теории относительности. Эти измененные теории гравитации отходят от общей теории относительности в больших масштабах, чтобы обойти потребность в темной энергии, темной материи или обоих. Но поскольку эти теории были разработаны, чтобы соответствовать предсказаниям общей теории относительности об истории расширения Вселенной, факторе, который является центральным в современной космологической работе, стало крайне важно знать, какая теория верна или, по крайней мере, представляет реальность так же хорошо, как можно приблизить.
«Мы знали, что нам нужно взглянуть на крупномасштабную структуру вселенной и рост небольших структур, составляющих ее со временем, чтобы это выяснить», - сказал Рейес. Команда использовала данные Sloan Digital Sky Survey (SDSS), долгосрочного многоцелевого телескопического проекта, картирующего небо, чтобы определить положение и яркость нескольких сотен миллионов галактик и квазаров.
Рассчитав скопление этих галактик, которые простираются почти на одну треть до края Вселенной, и проанализировав их скорости и искажения от промежуточного материала - из-за слабого линзирования, главным образом темной материей - исследователи показали, что Эйнштейн Теория объясняет соседнюю вселенную лучше, чем альтернативные теории гравитации.
Ученые из Принстона изучали влияние гравитации на галактики SDSS и скопления галактик в течение длительных периодов времени. Они наблюдали, как эта фундаментальная сила заставляет галактики объединяться в большие коллекции галактик и как она формирует расширение вселенной.
Критически, потому что относительность требует, чтобы кривизна пространства была равна кривизне времени, исследователи могли вычислить, влияли ли на свет в равных количествах оба, как и должно быть, если общая относительность верна.
«Это первый раз, когда этот тест был проведен вообще, так что это подтверждение концепции», - сказал Мандельбаум. «На ближайшие несколько лет запланированы другие астрономические исследования. Теперь, когда мы знаем, что этот тест работает, мы сможем использовать его с лучшими данными, которые скоро будут доступны, чтобы более жестко ограничить теорию гравитации ».
Ученые утверждают, что укрепление прогностической силы GR может помочь ученым лучше понять, имеют ли смысл современные модели Вселенной.
«Любой тест, который мы можем сделать, чтобы укрепить нашу уверенность в применении этих очень красивых теоретических вещей, но которые не были проверены в этих масштабах, очень важен», - сказал Ганн. «Конечно, это помогает, когда вы пытаетесь делать сложные вещи, чтобы понять основы. И это очень, очень, очень фундаментальная вещь ».
«Хорошая вещь о переходе на космологический масштаб состоит в том, что мы можем проверить любую полную, альтернативную теорию гравитации, потому что она должна предсказывать то, что мы наблюдаем», - сказал соавтор Урос Селяк, профессор физики и астрономии в Калифорнийском университете в Беркли. и научный сотрудник Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли, который в настоящее время находится в отпуске в Институте теоретической физики в Цюрихском университете. «Те альтернативные теории, которые не требуют темной материи, не проходят эти испытания».
Источники: «Ученые из Принстона говорят, что теория Эйнштейна применима за пределами Солнечной системы» (Университет Принстона), «Исследование подтверждает общую относительность в космическом масштабе, существование темной материи» (Университет Беркли в Калифорнии), «Подтверждение общей теории относительности в больших масштабах от слабых скорости линзирования и галактики »(Природа, препринт arXiv)
