Einsteinova teorie obecné relativity (GR), publikovaná v roce 1915, prošla prvním velkým testem teprve o několik let později, kdy bylo během zatmění Slunce v roce 1919 pozorováno předvídané gravitační vychýlení světla procházejícího poblíž Slunce.
V roce 1960 absolvoval GR svůj první velký test v laboratoři, tady na Zemi; experiment Libra-Rebka. A během devíti desetiletí od jeho zveřejnění, GR prošel testem po testu po testu, vždy s létajícími barvami (podívejte se na tuto recenzi pro vynikající shrnutí).
Testy však byly vždy ve sluneční soustavě nebo jinak nepřímé.
Tým vedený vědci z Princetonské univerzity nyní testoval GR, aby zjistil, zda to platí na kosmických stupnicích. A po dvou letech analýzy astronomických dat vědci dospěli k závěru, že Einsteinova teorie funguje stejně dobře ve velkých vzdálenostech jako ve více místních regionech vesmíru.
Analýza vědců na více než 70 000 galaxiích ukazuje, že vesmír - alespoň do vzdálenosti 3,5 miliardy světelných let od Země - hraje podle pravidel stanovených Einsteinem v jeho slavné teorii. Zatímco vědecká obec přijímá GR více než devět desetiletí, dosud nikdo tuto teorii tak důkladně a důkladně testoval na vzdálenosti a stupnice, které jdou daleko za sluneční soustavu.
Reinabelle Reyes, absolventka Princetonské katedry astrofyzikálních věd, spolu se spoluautory Rachel Mandelbaum, vědeckou pracovnicí a Jamesem Gunnem, profesorem astronomie Eugena Higginsa, nastínila své hodnocení v edici Nature z 11. března.
Mezi další vědce spolupracující na tomto dokumentu patří Tobias Baldauf, Lucas Lombriser a Robert Smith z Curyšské univerzity a Uros Seljak z Kalifornské univerzity v Berkeley.
Výsledky jsou důležité, říkají, protože zvyšují současné teorie vysvětlující tvar a směr vesmíru, včetně myšlenek o temné energii, a rozptylují náznaky z jiných nedávných experimentů, že by obecná relativita mohla být špatná.
"Všechny naše nápady v astronomii jsou založeny na této opravdu obrovské extrapolaci, takže cokoli, co můžeme udělat, abychom zjistili, zda je to na těchto stupnicích správné nebo ne, je nesmírně důležité," řekl Gunn. "Přidává další nadaci do základu, který je základem toho, co děláme."
GR je jedna ze dvou základních teorií, z nichž vychází veškerá současná astrofyzika a kosmologie (druhá je standardní model částicové fyziky, kvantová teorie); vysvětluje vše od černých děr po Velký třesk.
V posledních letech bylo navrženo několik alternativ k obecné relativitě. Tyto modifikované teorie gravitace se odchylují od obecné relativity ve velkém měřítku, aby obešly potřebu temné energie, temné hmoty nebo obojího. Ale protože tyto teorie byly navrženy tak, aby odpovídaly předpovědím obecné relativity o historii expanze vesmíru, což je faktor, který je ústředním bodem současné kosmologické práce, stalo se zásadní vědět, která teorie je správná, nebo alespoň představuje realitu tak nejlepší, jak lze aproximovat.
"Věděli jsme, že se musíme podívat na rozsáhlou strukturu vesmíru a růst menších struktur, které ji v průběhu času vytvářejí," řekl Reyes. Tým použil data ze Sloan Digital Sky Survey (SDSS), dlouhodobého projektu zaměřeného na více institucí, který mapuje oblohu, aby určil polohu a jas několika stovek milionů galaxií a kvasarů.
Výpočtem shlukování těchto galaxií, které se táhnou téměř jednu třetinu cesty k okraji vesmíru, a analýzou jejich rychlostí a zkreslení od zasahujícího materiálu - kvůli slabým objektivům, především tmavou hmotou - vědci ukázali, že Einsteinova teorie vysvětluje okolní vesmír lépe než alternativní teorie gravitace.
Vědci z Princetonu studovali účinky gravitace na SDSS galaxie a shluky galaxií po dlouhou dobu. Pozorovali, jak tato základní síla pohání galaxie, aby se shlukly do větších sbírek galaxií a jak formuje expanzi vesmíru.
Kriticky, protože relativita vyžaduje, aby se zakřivení prostoru rovnalo zakřivení času, mohli vědci vypočítat, zda bylo světlo ovlivněno ve stejných množstvích oběma, protože by to mělo být, pokud platí obecná relativita.
"Je to poprvé, kdy byl tento test proveden vůbec, takže je to důkaz konceptu," řekl Mandelbaum. "Na několik příštích let jsou plánována další astronomická průzkumy." Teď, když víme, že tento test funguje, budeme jej moci použít s lepšími údaji, která budou brzy k dispozici, abychom pevněji omezili teorii gravitace. “
Posílení predikčních schopností GR může vědcům pomoci lépe pochopit, zda současné modely vesmíru dávají smysl, uvedli vědci.
"Jakýkoli test, který můžeme udělat při budování naší důvěry v uplatňování těchto velmi krásných teoretických věcí, ale které nebyly testovány na těchto stupnicích, je velmi důležitý," řekl Gunn. "Určitě to pomůže, když se snažíte dělat komplikované věci, abyste pochopili základy." A to je velmi, velmi, velmi zásadní věc. “
"Hezkou věcí na cestě do kosmologického měřítka je, že můžeme vyzkoušet jakoukoli alternativní teorii gravitace, protože by měla předpovídat věci, které pozorujeme," řekl spoluautor Uros Seljak, profesor fyziky a astronomie na UC Berkeley. a vědecký pracovník fakulty v Lawrence Berkeley National Laboratory, který je v současné době na dovolené v Ústavu teoretické fyziky na Curyšské univerzitě. "Tyto alternativní teorie, které nevyžadují temnou hmotu, tyto testy selhávají."
Zdroje: „Vědci z Princetonu říkají, že Einsteinova teorie platí i mimo sluneční soustavu“ (Princetonská univerzita), „Studie potvrzuje obecnou relativitu v kosmickém měřítku, existenci temné hmoty“ (University of California Berkeley), „Potvrzení obecné relativity na velkých stupních od slabých čočky a rychlosti galaxií “(Nature, předtisk arXiv)
