Miksi maailmankaikkeutemme laajeneminen kiihtyy? Kaksikymmentäviisi vuotta löydön jälkeen tämä ilmiö on edelleen yksi nykyajan suurimmista tieteellisistä mysteereistä. Sen ratkaiseminen edellyttää fysiikan peruslakien, kuten Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian, testaamista.
Kuvituskuva Pixabay
Geneven (UNIGE) ja Toulouse III - Paul Sabatierin yliopistojen tiimi on verrannut kuuluisan fyysikon ennusteita Dark Energy Survey -ohjelman tietojen perusteella tehtyihin mittauksiin. He havaitsivat, että pieni poikkeama voi ilmetä sen mukaan, mihin maailmankaikkeuden historian aikakausiin nämä laskelmat tehdään. Nämä tulokset, jotka on julkaistu Nature Communications -lehdessä, kyseenalaistavat Einsteinin teorioiden pätevyyden ilmiöiden selittämisessä, jotka tapahtuvat aurinkokunnan ulkopuolella, maailmankaikkeuden mittakaavassa.
Albert Einsteinin teorian mukaan maailmankaikkeutemme vääristyy siellä olevan aineen vaikutuksesta, hieman kuin suuri pehmeä pöytäliina. Nämä vääristymät, joita taivaankappaleiden painovoima aiheuttaa, tunnetaan "painovoimakuoppina". Kun valo kulkee tämän epätasaisuuksista koostuvan kehyksen läpi, sen kulkua ohjataan näiden kuoppien kautta, aivan kuin lasilinssin vaikutuksesta. Mutta tässä tapauksessa se on painovoima, ei lasi, joka taivuttaa valoa. Tämä on "painovoimallisen linssin" vaikutus.
Tämän ilmiön havainnointi antaa tietoa maailmankaikkeuden komponenteista, historiasta ja laajentumisesta. Sen ensimmäinen mittaus vuonna 1919 auringonpimennyksen aikana vahvisti Einsteinin teorian, joka ennustaa valon poikkeaman olevan kaksinkertainen Isaac Newtonin ennustamaan verrattuna. Tämä ero selittyy sillä, että Einstein lisäsi uuden "aineksen": ajan vääristymän, lisäksi avaruuden vääristymälle, saadakseen tarkan valon kaarevuuden.
Teoria vs. tiedot
Mutta toimivatko nämä yhtälöt maailmankaikkeuden äärirajoilla? Tämä on kysymys, jota monet tutkijat pohtivat yrittäessään kvantifioida aineen tiheyttä maailmankaikkeudessa ja ymmärtää sen laajenemisen kiihtymistä. Uudenlaisen Dark Energy Survey -ohjelman tietojen käytön avulla – kansainvälisen ohjelman, joka kartoittaa satojen miljoonien galaksien muotoa – Geneven (UNIGE) ja Toulouse III - Paul Sabatierin yliopistojen tiimi tuo uusia vastauksia."Ennen tätä Dark Energy Survey -tietoja käytettiin aineen jakautumisen mittaamiseen maailmankaikkeudessa. Meidän tutkimuksessamme käytimme niitä suoraan ajan ja avaruuden vääristymän mittaamiseen ja vertasimme tuloksiamme Einsteinin ennusteisiin", selittää Camille Bonvin, UNIGE:n teoreettisen fysiikan osaston apulaisprofessori, joka johti tätä tutkimusta.
Pieni poikkeama
Dark Energy Survey -tiedot mahdollistavat hyvin kauas avaruuteen katsomisen, ja siten hyvin kauas menneisyyteen. Ranskalais-sveitsiläinen tiimi pystyi näin ollen tekemään analyysejä 100 miljoonasta galaksista neljänä eri ajankohtana maailmankaikkeuden historiassa: 3.5, 5, 6 ja 7 miljardia vuotta sitten. Nämä mittaukset paljastivat, kuinka painovoimakuopat kasvoivat ajan myötä, aikavälillä, joka kattaa yli puolet maailmankaikkeuden historiasta."Huomasimme, että hyvin kaukana menneisyydessä, 6 ja 7 miljardia vuotta sitten, kuoppien syvyys on täysin yhteensopiva Einsteinin ennusteiden kanssa. Sen sijaan, lähempänä nykypäivää, 3.5 ja 5 miljardia vuotta sitten, ne ovat hieman matalampia kuin Einsteinin ennustamat", paljastaa Isaac Tutusaus, apulaisastronomi Toulouse III - Paul Sabatierin yliopiston astrofysiikan ja planetologian tutkimusinstituutista (IRAP/OMP), tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja.
Juuri tässä samassa ajassa lähellä nykypäivää maailmankaikkeuden laajeneminen alkoi kiihtyä. On siis mahdollista, että vastaus näihin kahteen outoon ilmiöön – maailmankaikkeuden kiihtyminen ja painovoimakuoppien hitaampi kasvu – on sama: painovoima voisi vastata suurilla mittakaavoilla eri fysiikan lakeihin kuin Einstein.
Voiko tämä kumota Einsteinin?
"Tuloksemme osoittavat, että Einsteinin ennusteilla on 3 sigma:n yhteensopimattomuus mittausten kanssa. Fysiikan kielellä tällainen yhteensopimattomuuden kynnys herättää mielenkiintomme ja vaatii lisätutkimuksia. Mutta tämä yhteensopimattomuus ei ole vielä riittävän suuri kumotakseen Einsteinin teorian.Tätä varten tarvitaan 5 sigma:n kynnys. On siis tärkeää saada lisää mittauksia, tarkempia, vahvistaaksemme tai kumotaksemme nämä ensimmäiset tulokset ja selvittääksemme, onko tämä teoria edelleen voimassa maailmankaikkeudessamme, hyvin suurilla etäisyyksillä", korostaa Nastassia Grimm, UNIGE:n teoreettisen fysiikan osaston postdoc-tutkija, tutkimuksen toinen kirjoittaja.
Tiimi valmistelee uusien Euclid-avaruusteleskoopin tietojen analysointia, joka laukaistiin vuosi sitten. Euclid, joka tarkkailee maailmankaikkeutta avaruudesta, tarjoaa paljon tarkempia mittauksia painovoimallisista linsseistä. Lisäksi Euclid tulee tarkkailemaan valtavaa määrää galakseja: noin puolitoista miljardia odotetaan kuuden vuoden tarkkailun jälkeen. Tämä mahdollistaa spatiotemporaalisten vääristymien tarkemman mittaamisen, aikamatkustamisen vielä kauemmas menneisyyteen ja Einsteinin yhtälöiden tarkemman testaamisen.