Можно ли решить одну из самых больших загадок астрофизики, переработав теорию гравитации Альберта Эйнштейна? В новом исследовании, которое провела международная группа ученых, говорится, что пока нет. О результатах работы рассказали в НАСА, а научная статья пока вышла в препринте.
Вселенная расширяется с ускорением, и ученые не знают, почему. Это явление, кажется, противоречит всему, что исследователи понимают о влиянии гравитации на космос: это как если бы вы подбросили яблоко в воздух, и оно продолжало бы двигаться вверх, все быстрее и быстрее. Причина ускорения, получившего название темной энергии, остается загадкой.
Новое исследование темной энергии с использованием 4-метрового телескопа им. Виктора Бланко в Чили знаменует собой последнюю попытку определить, не являются ли представления о том, как гравитация работает в масштабе всей Вселенной ошибочными. Если бы это было так, то помогло ученым объяснить темную энергию. Но исследование — одна из самых точных проверок теории гравитации Альберта Эйнштейна в космических масштабах — показывает, что нынешнее понимание все же правильное.
Результаты были представлены в среду, 23 августа, на Международной конференции по физике элементарных частиц и космологии в Рио-де-Жанейро. Работа помогает подготовить почву для создания двух будущих космических телескопов, которые будут исследовать гравитацию с еще большей точностью и, возможно, наконец разгадают тайну.
Более века назад Альберт Эйнштейн разработал Общую теорию относительности для описания гравитации, и до сих пор она точно предсказывала все: от орбиты Меркурия до существования черных дыр. Но если эта теория не может объяснить темную энергию, утверждают некоторые ученые, то, возможно, нужно изменить некоторые ее уравнения или добавить новые компоненты?
Чтобы выяснить, так ли это, ученые искали доказательства того, что сила гравитации была разной на протяжении истории Вселенной или изменяется на больших космических расстояниях. Положительный результат означал бы, что теория Эйнштейна неполна. А это, в свою очередь, могло помочь объяснить ускоряющееся расширение Вселенной.
Но исследование показало, что теория Эйнштейна все еще работает. Так что объяснения темной энергии пока нет. Однако это исследование будет использовано в двух предстоящих миссиях: «Евклид» ЕКА, запуск которой запланирован не ранее 2023 года, и Nancy Grace Roman НАСА (не позднее мая 2027 года). Оба космических телескопа будут искать изменения силы гравитации во времени или на расстоянии.
Откуда ученые знают, что происходило в прошлом Вселенной? Глядя на удаленные объекты. Световой год — расстояние, которое свет может пройти за год (около 9,5 триллионов километров). Это означает, что объект на расстоянии одного светового года мы видим таким, каким он был год назад, когда свет вылетел из него. То есть галактики, находящиеся за миллиарды световых лет от нас, мы видим такими, какими они были миллиарды лет назад.
В новом исследовании рассматривались галактики примерно в 5 миллиардах световых лет. «Евклид» заглянет на 8 миллиардов лет в прошлое, а «Роман» — на 11.
То, как выглядят галактики, если смотреть с Земли, раскрывает силу гравитации. Большая часть материи в нашей Вселенной — это «темная материя», которая не излучает, не отражает и вообще никак не взаимодействует со светом. Хотя ученые не знают, из чего она сделана, они знают, что она есть, потому что ее выдает гравитация: большие резервуары темной материи во Вселенной искажают само пространство. Когда свет путешествует в пространстве, он проходит через эти искажения, в результате чего далекие галактики кажутся искривленными или размытыми.
Ученые из проекта по исследованию темной энергии изучают галактики на предмет тонких искажений из-за искривления пространства темной материей. Этот эффект называют слабым гравитационным линзированием. Размер и распределение темной материи определяют, насколько искривленными кажутся с Земли эти галактики. Так можно измерить силу гравитации на разных расстояниях от Земли и, соответственно, в разные времена истории Вселенной.
Ученые уже измерили форму более 100 миллионов галактик, и наблюдения соответствуют предсказаниям теории Эйнштейна.
«Все еще есть возможность бросить вызов теории гравитации Эйнштейна, поскольку измерения становятся все более и более точными», — сказала один из авторов исследования Агнес Ферте.