Naukowcy wciąż bezskutecznie poszukują błędów w ogólnej teorii względności Einsteina, które mogłyby wyjaśnić tajemniczą siłę napędzającą przyspieszającą ekspansję Wszechświata. Naukowcy zbadali 100 milionów galaktyk, szukając oznak, że siła grawitacji zmieniała się w historii Wszechświata lub na ogromnych kosmicznych odległościach. Wszelkie oznaki takiej zmiany wskazywałyby, że ogólna teoria względności Einsteina jest niekompletna lub wymaga rewizji. Zmienność może również rzucić światło na to, czym jest ciemna energia , poza tym jest to nazwa, którą naukowcy nadają temu, co powoduje przyspieszenie ekspansji wszechświata.

Pomimo braku takich różnic w sile grawitacji, prace pomogą dwóm nadchodzącym teleskopom kosmicznym – misji Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej oraz Nancy Grace Roman Space Telescope – również w poszukiwaniu zmian siły grawitacji w przestrzeni i w czasie.

Aby zobaczyć, dlaczego ciemna energia i przyspieszająca ekspansja Wszechświata są tak niepokojące dla naukowców, wyobraź sobie, jak pcha dziecko na huśtawce, obserwując, jak zwalnia i prawie całkowicie się zatrzymuje. Nagle huśtawka nagle przyspiesza i porusza się szybciej bez żadnego nacisku. Odpowiednikiem naukowców jest to, że ekspansja Wszechświata powinna zwalniać po początkowym uderzeniu Wielkiego Wybuchu . Ale tak nie jest. Przyspiesza, a termin „ciemna energia” jest zastępczym dla tajemniczej siły napędzającej to przyspieszenie. W rezultacie ciemna energia działa wbrew sile grawitacji — rozpychając kosmiczne obiekty, gdy grawitacja przyciąga je do siebie. A ponieważ ciemna energia stanowi około 68% zawartości energii i materii we Wszechświecie, jest to zagadka, którą naukowcy chcą rozwiązać. Ekipa Dark Energy Survey użyła 4-metrowego Teleskopu Victora M. Blanco w Chile, aby spojrzeć 5 miliardów lat wstecz.

Testowanie grawitacji w przestrzeni i czasie

Światło porusza się ze stałą prędkością , co oznacza, że ​​astronomowie widzą odległe obiekty kosmiczne takimi, jakimi były w przeszłości. Na przykład światło potrzebuje około siedmiu minut, aby dotrzeć ze Słońca na Ziemię, więc z naszej planety widzimy naszą gwiazdę taką, jaka była siedem minut temu. Poruszając się dalej, astronomowie patrząc na obiekt Drogi Mlecznej jeden rok świetlny od nas, widzą taki, jaki był rok temu. A w przypadku niektórych odległych galaktyk, które bada Teleskop Jamesa Webba, światło podróżuje do nas od dziesiątek miliardów lat i widzimy galaktyki takimi, jakimi były, gdy Wszechświat liczący 13,8 miliarda lat znajdował się we względnym niemowlęctwie. Jednak to nie obserwacje samych galaktyk mogą wskazywać na zmiany siły grawitacji, ale raczej to, co stało się z ich światłem podczas jego długiej podróży do teleskopu. Zgodnie z ogólną teorią względności masa zakrzywia samą strukturę czasoprzestrzeni, przy czym obiekty o większej masie powodują bardziej ekstremalną krzywiznę. Powszechna analogia polega na umieszczaniu kulek o różnej wadze na rozciągniętym arkuszu gumy. Kula do kręgli tworzy głębsze wgniecenie w arkuszu niż piłka tenisowa; gwiazda zakrzywia czasoprzestrzeń bardziej niż planeta.

Obiekty takie jak galaktyki zakrzywiają czasoprzestrzeń tak silnie, że gdy światło przechodzi przez galaktykę, jej ścieżka jest zakrzywiona. Kiedy to światło dociera do Ziemi , emitujący je obiekt przesuwa się w pozornej pozycji na niebie. Astronomowie nazywają to efektem soczewkowania grawitacyjnego. Ponieważ światło z obiektu tła może obrać różne ścieżki obok masywnego obiektu, takiego jak galaktyka – określanego jako obiekt soczewkowania – soczewkowanie grawitacyjne może sprawić, że źródło będzie wyglądało na zniekształcone, powiększone, a nawet w wielu miejscach na niebie. (To soczewkowanie grawitacyjne, które rozmazało odległe galaktyki na pierwszym zdjęciu z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba ).

Efekty soczewkowania grawitacyjnego mogą być jednak bardziej subtelne, a te subtelne efekty są często powodowane przez ciemną materię obiektu soczewkującego. A ponieważ ciemna materia oddziałuje tylko z grawitacją, całkowicie ignorując światło i inną materię, jej kształt i struktura są spowodowane wyłącznie tą siłą.

Einstein miał rację (znowu)

Wróćmy jednak do nowych badań. Naukowcy z Dark Energy Survey poszukiwali tych subtelnych zniekształceń, zwanych “słabym soczewkowaniem grawitacyjnym” na obrazach odległych galaktyk. Naukowcy doszli do wniosku, że ujawniłoby to zmiany w rozkładzie ciemnej materii w soczewkujących galaktykach, co z kolei wskazywałoby na zmiany siły grawitacji w czasie i przestrzeni — być może rzucając światło na tajemniczą ciemną energię. Jednak obserwacje kształtu ciemnej materii w 100 milionach galaktyk wykazały, że wszystko nadal jest zgodne z ogólną teorią względności Einsteina.

Nie oznacza to jednak, że zadanie się skończyło. Astronomowie zwrócą się teraz do teleskopów kosmicznych Euklidesa i Rzymu, które mają zostać wystrzelone odpowiednio w 2023 i 2027 roku, aby szukać tych zmian grawitacji w galaktykach, które są jeszcze starsze, mając nadzieję na dostrzeżenie zmian, które mogą wytyczyć kurs w kierunku zrozumienia ciemności. energia. Podczas gdy to nowe badanie przyglądało się galaktykom takim, jakim były 5 miliardów lat temu, Euclid spojrzy wstecz 8 miliardów lat, a Roman spojrzy jeszcze dalej, obserwując galaktyki takie, jakie były 11 miliardów lat temu, według NASA.

Wyniki zespołu zostały zaprezentowane 23 sierpnia na Międzynarodowej Konferencji Fizyki Cząstek i Kosmologii (COSMO’22) w Rio de Janeiro. Artykuł szczegółowo opisujący odkrycia zespołu został opublikowany w repozytorium preprintów arXiv.org.