Wissenschaftler haben Einsteins Relativitätstheorie auf kosmologischer Ebene getestet und etwas Seltsames herausgefunden: ScienceAlert

Alles im Universum hat Schwerkraft – und spürt sie auch. Es ist aber auch diese häufigste Grundkraft, die die Physiker vor die größten Herausforderungen stellt.

Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein Es war bemerkenswert erfolgreich bei der Beschreibung der Anziehungskraft von Sternen und Planeten, aber es scheint nicht auf allen Skalen ganz richtig zu sein.

generelle Relativität Langjährige Beobachtungstests bestanden, von Eddington-Messung Von der Beugung des Sternenlichts an der Sonne im Jahr 1919 bis Die neueste Entdeckung von Gravitationswellen.

Lücken in unserem Verständnis treten jedoch auf, wenn wir versuchen, es über sehr kleine Entfernungen anzuwenden, und wo Die Gesetze der Quantenmechanik funktionierenoder wenn wir versuchen, das gesamte Universum zu beschreiben.

Unsere neue Studie, Veröffentlicht in natürliche AstronomieEr hat nun Einsteins Theorie im größten Maßstab getestet.

Wir glauben, dass unser Ansatz eines Tages dazu beitragen könnte, einige der größten Rätsel der Kosmologie zu lösen, und die Ergebnisse legen nahe, dass die allgemeine Relativitätstheorie möglicherweise in diesem Ausmaß modifiziert werden muss.

defektes Modell?

Die Quantentheorie sagt voraus, dass leerer Raum voller Energie ist. Wir bemerken ihre Anwesenheit nicht, weil unsere Geräte nur Energieänderungen messen können und nicht deren Gesamtbetrag.

Die Energie des Vakuums hat jedoch laut Einstein eine abstoßende Anziehungskraft – sie drückt den leeren Raum auseinander. Interessanterweise wurde 1998 entdeckt, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigt (eine Entdeckung, die mit gewährt wurde 2011 Nobelpreis für Physik).

Allerdings ist die Menge an Vakuumenergie, bzw dunkle Energie Wie es genannt wurde, muss erklärt werden, dass die Beschleunigung um viele Größenordnungen kleiner ist als das, was die Quantentheorie vorhersagt.

Daher ist die große Frage, die als „Problem der alten kosmologischen Konstante“ bezeichnet wird, ob Vakuumenergie wirklich angezogen wird – was die Schwerkraft hervorruft und die Expansion des Universums verändert.

Wenn ja, warum ist seine Anziehungskraft so viel schwächer als erwartet? Wenn überhaupt kein Vakuum angezogen wird, was verursacht dann die kosmische Beschleunigung?

Wir wissen nicht, was dunkle Energie ist, aber wir müssen ihre Existenz postulieren, um die Expansion des Universums zu erklären.

Ebenso müssen wir auch annehmen, dass es eine Art Existenz von unsichtbarer Materie gibt, die getauft wird Dunkle MaterieZu erklären, wie sich Galaxien und Haufen so entwickelt haben, wie wir sie heute beobachten.

Diese Annahmen wurden in die kosmologische Standardtheorie der Wissenschaftler aufgenommen, das so genannte Cold Dark Matter Lambda Model (LCDM), das besagt, dass es im Universum 70 Prozent dunkle Energie, 25 Prozent dunkle Materie und 5 Prozent gewöhnliche Materie gibt. Dieses Modell war bemerkenswert erfolgreich darin, alle Daten anzupassen, die Kosmologen in den letzten 20 Jahren gesammelt haben.

Aber die Tatsache, dass der größte Teil des Universums aus Kräften und dunkler Materie besteht, die seltsame, bedeutungslose Werte annehmen, hat viele Physiker dazu veranlasst, sich zu fragen, ob Einsteins Gravitationstheorie modifiziert werden muss, um das gesamte Universum zu beschreiben.

Eine neue Entwicklung zeichnete sich vor einigen Jahren ab, als sich herausstellte, dass verschiedene Methoden zur Messung der Geschwindigkeit der kosmischen Expansion, sog Hubble-Konstantegeben Sie unterschiedliche Antworten – ein Problem, das als bekannt ist Hubble-Spannung.

Meinungsverschiedenheiten oder Spannungen zwischen zwei Werten der Hubble-Konstante.

Die erste ist die Zahl, die vom kosmologischen LCDM-Modell vorhergesagt wurde, das passend entwickelt wurde Das Licht, das der Urknall hinterlassen hat (Das kosmischer mikrowellenhintergrund Strahlung).

Die andere ist die Expansionsrate, die durch die Beobachtung von Supernovae in fernen Galaxien gemessen wird.

Mehrere theoretische Ideen für LCDM-Modulationsverfahren wurden vorgeschlagen, um die Hubble-Spannung zu erklären. Darunter sind alternative Gravitationstheorien.

Suche nach Antworten

Wir können Tests entwickeln, um zu überprüfen, ob das Universum den Regeln von Einsteins Theorie gehorcht.

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft als die Krümmung oder Ablenkung von Raum und Zeit, die die Bahnen krümmt, auf denen sich Licht und Materie bewegen. Wichtig ist, dass es voraussagt, dass die Wege von Licht- und Materiestrahlen auf die gleiche Weise durch die Schwerkraft gebogen werden sollten.

Zusammen mit einem Team von Kosmologen haben wir die Grundgesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie getestet. Wir untersuchten auch, ob eine Modifikation von Einsteins Theorie helfen könnte, einige offene Probleme in der Kosmologie zu lösen, wie zum Beispiel die Hubble-Spannung.

Um herauszufinden, ob die Allgemeine Relativitätstheorie im großen Maßstab wahr ist, haben wir uns zum ersten Mal daran gemacht, drei Aspekte davon gleichzeitig zu untersuchen. Dies waren die Expansion des Universums, die Auswirkungen der Schwerkraft auf das Licht und die Auswirkungen der Schwerkraft auf die Materie.

Mit einer statistischen Methode, die als Bayessche Inferenz bekannt ist, rekonstruierten wir die Schwerkraft des Universums durch die kosmische Geschichte in einem Computermodell, das auf diesen drei Parametern basiert.

Wir können Parameter anhand von kosmischen Mikrowellen-Hintergrunddaten des Planck-Satelliten, Supernova-Katalogen sowie Beobachtungen von Formen und Verteilungen entfernter Galaxien abschätzen SDSS Und die DE Teleskope.

Dann verglichen wir unsere Rekonstruktion mit der Vorhersage des LCDM-Modells (im Wesentlichen Einsteins Modell).

Wir fanden interessante Hinweise auf eine mögliche Diskrepanz mit Einsteins Vorhersagen, wenn auch mit eher geringer statistischer Signifikanz.

Das bedeutet, dass immer noch die Möglichkeit besteht, dass die Schwerkraft in großen Maßstäben anders funktioniert und dass die allgemeine Relativitätstheorie modifiziert werden muss.

Unsere Studie ergab auch, dass es sehr schwierig ist, das Hubble-Spannungsproblem zu lösen, indem man einfach die Gravitationstheorie ändert.

Vielleicht würde eine vollständige Lösung eine neue Komponente des kosmologischen Modells erfordern, das vor der Zeit existierte, als sich Protonen und Elektronen zum ersten Mal zu Wasserstoff vereinigten die große Explosionwie eine spezielle Form der Dunklen Materie, eine frühe Art der Dunklen Energie oder urzeitliche Magnetfelder.

Oder vielleicht gibt es einen unbekannten systematischen Fehler in den Daten.

Unsere Studie hat jedoch gezeigt, dass es möglich ist, die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie in kosmischen Entfernungen anhand von Beobachtungsdaten zu testen. Obwohl wir das Hubble-Problem noch nicht gelöst haben, werden wir in ein paar Jahren viele Daten von den neuen Sonden haben.

Das bedeutet, dass wir diese statistischen Methoden verwenden können, um die allgemeine Relativitätstheorie weiter zu modifizieren und die Grenzen von Modifikationen zu erforschen, um den Weg für die Lösung einiger offener Herausforderungen in der Kosmologie zu ebnen.

Kazuya KoyamaProfessor für Kosmologie, Universität Portsmouth Und die Levon BogosianPhysikprofessor, Simon Fraser Universität

Dieser Artikel wurde neu veröffentlicht von Gespräch Unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das originaler Artikel.