Общая теория относительности прошла одну из самых точных проверок благодаря наблюдениям за последние 11 миллиардов лет космической эволюции, собранным с помощью спектроскопического прибора темной энергии (DESI).
Теория Альберта Эйнштейна 1915 года, общая теория относительности , оставалась лучшим описанием гравитации для человечества на протяжении последних 100 лет. Космологи использовали общую теорию относительности для моделирования того, как развивался космос — от самых ранних моментов до его нынешнего состояния — и показали, как гравитация объединяла крошечные сгустки материи, образуя огромные галактики, а также скопления этих галактик. Тем не менее, хотя общая теория относительности прошла все испытания, примененные к ней в относительно малых масштабах, лишь немногие испытания бросили ей вызов в очень больших масштабах.
Ученые уже провели один из таких масштабных тестов с использованием DESI. Они наблюдали почти 6 миллионов галактик и квазаров , которые являются яркими сердцами галактик, питаемыми сверхмассивными черными дырами . Возможно, неудивительно, что этот тест, который проследил эволюцию Вселенной с тех пор, как ей было около 3 миллиардов лет, в очередной раз показал, что общая теория относительности является правильным «рецептом» для гравитации.
«Общая теория относительности была очень хорошо проверена в масштабах солнечных систем, но нам также нужно было проверить, что наше предположение работает в гораздо больших масштабах», — сказала в своем заявлении соруководитель исследования и космолог Французского национального центра научных исследований (CNRS) Полин Заррук . «Изучение скорости формирования галактик позволяет нам напрямую проверять наши теории, и пока что мы совпадаем с тем, что предсказывает общая теория относительности в космологических масштабах».
DESI, установленный на 4-метровом телескопе имени Николаса У. Мейолла Национальной обсерватории Китт-Пик , представляет собой современный инструмент, состоящий из 5000 «роботизированных глаз». Эксперимент идет уже четвертый год пятилетнего проекта по изучению неба, в ходе которого в конечном итоге будут обнаружены около 40 миллионов галактик и квазаров.
Данные обзора неба могут быть важны для понимания темной энергии и темной материи , таинственной субстанции, которая перевешивает частицы «повседневной материи», из которой состоят звезды, планеты, луны и все, что мы видим вокруг нас каждый день, но остается фактически невидимой. Вместе называемые «темной вселенной», темная энергия и темная материя предполагают, что все, что мы понимаем в космосе, составляет всего 5% ее содержимого.
«Темная материя составляет около четверти Вселенной, а темная энергия составляет еще 70 процентов, и мы на самом деле не знаем, что это такое», — сказал в заявлении член команды Марк Маус, аспирант в Berkeley Lab и UC Berkeley. «Идея о том, что мы можем делать снимки Вселенной и решать эти большие, фундаментальные вопросы, просто ошеломляет».
Взвешивание космических призраков
Общая теория относительности может быть лучшим описанием гравитации, которое у нас есть, но она не может объяснить каждый отдельный элемент вселенной, который мы наблюдаем в настоящее время, в частности, ускоряющееся расширение пространства и гравитационное воздействие темной материи. Ускорение расширения пространства в настоящее время приписывается «замещающей» силе, называемой темной энергией, которая избегает описания космологическими моделями, основанными на общей теории относительности.
Эта неспособность объяснить темную энергию привела некоторых ученых к выдвижению альтернатив общей теории относительности, основанных на корректировках теории гравитации Исаака Ньютона , которую заменила теория великого произведения Эйнштейна. Эти теории обычно называют «модифицированными теориями гравитации», и они объясняют наблюдения за вселенной без необходимости вводить неизвестное, например, темную энергию.
Помимо того, что результаты DESI помогли подтвердить ведущую модель Вселенной, основанную на общей теории относительности, модель лямбда-холодной темной материи (LCDM), они также помогли исключить некоторые теории модифицированной гравитации.
Кроме того, те же результаты DESI помогли установить верхний предел массы так называемых «частиц-призраков», или
нейтрино .
Нейтрино получили репутацию фантомов зоопарка частиц из-за отсутствия у них электрического заряда и факта, что они практически не имеют массы. Пока вы читаете это предложение, триллионы этих частиц пронеслись через ваше тело со скоростью, близкой к скорости света , оставаясь незамеченными.
Нейтрино — единственные фундаментальные частицы, которые мы обнаружили, чьи массы не были точно определены учеными. В то время как предыдущие эксперименты определяли нижнюю часть массы нейтрино, результаты DESI устанавливают верхний предел, давая исследователям более четко определенный диапазон масс, в котором должны находиться нейтрино.
Новые результаты получены в результате расширенного анализа данных DESI первого года, опубликованных в апреле 2024 года. Эти данные сформировали самую большую трехмерную карту Вселенной, созданную на сегодняшний день. Эти результаты уже были примечательны, поскольку они, казалось, показывали, что сила
темной энергии меняется со временем.
Результаты DESI апреля были сосредоточены на факторе кластеризации галактик, называемом
барионными акустическими колебаниями (BAO), колебаниями в плотности материи, которые позволяют крупномасштабным структурам расти. Это новое исследование этих результатов включало то, что исследователи называют «анализом полной формы», который дополнительно исследовал, как галактики и материя распределены в разных масштабах в пространстве.