Δημοσιεύθηκε το 1915, η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν (GR) πέρασε την πρώτη μεγάλη δοκιμασία λίγα χρόνια αργότερα, όταν παρατηρήθηκε η προβλεπόμενη βαρυτική εκτροπή του φωτός που περνούσε κοντά στον Ήλιο κατά τη διάρκεια της ηλιακής έκλειψης του 1919.
Το 1960, η GR πέρασε το πρώτο μεγάλο τεστ σε ένα εργαστήριο, εδώ στη Γη. το πείραμα Pound-Rebka. Και κατά τη διάρκεια των εννέα δεκαετιών από τη δημοσίευσή του, η GR πέρασε τις δοκιμές μετά τη δοκιμή μετά τη δοκιμή, πάντα με ιπτάμενα χρώματα (δείτε αυτήν την κριτική για μια εξαιρετική περίληψη).
Αλλά οι δοκιμές ήταν πάντοτε εντός του ηλιακού συστήματος, ή με άλλο τρόπο έμμεσο.
Τώρα μια ομάδα με επικεφαλής τους επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Πρίνστον έχει δοκιμάσει το GR για να δει αν ισχύει σε κοσμικές κλίμακες. Και, μετά από δύο χρόνια ανάλυσης αστρονομικών δεδομένων, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η θεωρία του Αϊνστάιν λειτουργεί επίσης σε μεγάλες αποστάσεις όπως και σε περισσότερες τοπικές περιοχές του διαστήματος.
Η ανάλυση των επιστημόνων για περισσότερους από 70.000 γαλαξίες δείχνει ότι το σύμπαν - τουλάχιστον μέχρι απόσταση 3,5 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη - παίζει με τους κανόνες που έθεσε ο Αϊνστάιν στη διάσημη θεωρία του. Ενώ το GR έχει γίνει αποδεκτό από την επιστημονική κοινότητα για πάνω από εννέα δεκαετίες, μέχρι τώρα κανείς δεν είχε δοκιμάσει τη θεωρία τόσο καλά και δυνατά σε αποστάσεις και κλίμακες που ξεπερνούν το ηλιακό σύστημα.
Η Reinabelle Reyes, πτυχιούχος του Πρίνστον στο Τμήμα Αστροφυσικών Επιστημών, μαζί με τη συν-συγγραφείς Rachel Mandelbaum, αναπληρωτή ερευνητή και τον James Gunn, τον καθηγητή Αστρονομίας Eugene Higgins, παρουσίασαν την αξιολόγησή τους στην έκδοση Nature της 11ης Μαρτίου.
Άλλοι επιστήμονες που συνεργάζονται στο χαρτί περιλαμβάνουν τους Tobias Baldauf, Lucas Lombriser και Robert Smith του Πανεπιστημίου της Ζυρίχης και Uros Seljak του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια-Μπέρκλεϋ.
Τα αποτελέσματα είναι σημαντικά, είπαν, διότι ανέπτυξαν τις τρέχουσες θεωρίες που εξηγούν το σχήμα και την κατεύθυνση του σύμπαντος, συμπεριλαμβανομένων των ιδεών για τη σκοτεινή ενέργεια, και διαλύουν κάποιες υποδείξεις από άλλα πρόσφατα πειράματα ότι η γενική σχετικότητα μπορεί να είναι λάθος.
"Όλες οι ιδέες μας στην αστρονομία βασίζονται σε αυτήν την πραγματικά τεράστια παρέκταση, οπότε οτιδήποτε μπορούμε να κάνουμε για να δούμε αν αυτό είναι σωστό ή όχι σε αυτές τις κλίμακες είναι εξαιρετικά εξαιρετικά σημαντικό", δήλωσε ο Gunn. «Προσθέτει ένα άλλο τούβλο στο ίδρυμα που στηρίζει αυτό που κάνουμε».
Το GR είναι μία, από τις δύο, βασικές θεωρίες στις οποίες βασίζεται όλη η σύγχρονη αστροφυσική και κοσμολογία (η άλλη είναι το πρότυπο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, μια κβαντική θεωρία). εξηγεί τα πάντα, από τις μαύρες τρύπες έως τη Μεγάλη Έκρηξη.
Τα τελευταία χρόνια, έχουν προταθεί διάφορες εναλλακτικές λύσεις στη γενική σχετικότητα. Αυτές οι τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας αποκλίνουν από τη γενική σχετικότητα σε μεγάλες κλίμακες για να παρακάμψουν την ανάγκη για σκοτεινή ενέργεια, σκοτεινή ύλη ή και τα δύο. Αλλά επειδή αυτές οι θεωρίες σχεδιάστηκαν για να ταιριάζουν με τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας σχετικά με την ιστορία επέκτασης του σύμπαντος, έναν παράγοντα που είναι κεντρικός για την τρέχουσα κοσμολογική εργασία, έχει γίνει κρίσιμο να γνωρίζουμε ποια θεωρία είναι σωστή ή τουλάχιστον αντιπροσωπεύει την πραγματικότητα όσο καλύτερα μπορεί να προσεγγιστεί.
«Γνωρίζαμε ότι πρέπει να κοιτάξουμε τη μεγάλη κλίμακα δομή του σύμπαντος και την ανάπτυξη μικρότερων δομών που το συνθέτουν με την πάροδο του χρόνου για να το μάθουμε», είπε ο Reyes. Η ομάδα χρησιμοποίησε δεδομένα από το Sloan Digital Sky Survey (SDSS), ένα μακροπρόθεσμο, πολλαπλών θεσμικών τηλεσκόπιο έργο χαρτογράφησης του ουρανού για να προσδιορίσει τη θέση και τη φωτεινότητα αρκετών εκατοντάδων εκατομμυρίων γαλαξιών και κβάζαρ.
Με τον υπολογισμό της ομαδοποίησης αυτών των γαλαξιών, οι οποίοι εκτείνονται σχεδόν στο ένα τρίτο του δρόμου προς την άκρη του σύμπαντος, και αναλύοντας τις ταχύτητες και τη παραμόρφωση τους από το παρεμβαλλόμενο υλικό - λόγω αδύναμου φακού, κυρίως από σκοτεινή ύλη - οι ερευνητές έχουν δείξει ότι ο Αϊνστάιν Η θεωρία εξηγεί το κοντινό σύμπαν καλύτερα από τις εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας.
Οι επιστήμονες του Princeton μελέτησαν τις επιπτώσεις της βαρύτητας στους γαλαξίες SDSS και τα σμήνη γαλαξιών για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Παρατήρησαν πώς αυτή η θεμελιώδης δύναμη οδηγεί τους γαλαξίες να συγκεντρωθούν σε μεγαλύτερες συλλογές γαλαξιών και πώς διαμορφώνει την επέκταση του σύμπαντος.
Κρίσιμα, επειδή η σχετικότητα απαιτεί την καμπυλότητα του χώρου να είναι ίση με την καμπυλότητα του χρόνου, οι ερευνητές θα μπορούσαν να υπολογίσουν εάν το φως επηρεάστηκε σε ίσες ποσότητες και από τα δύο, όπως θα έπρεπε αν ισχύει η γενική σχετικότητα.
«Είναι η πρώτη φορά που διεξήχθη αυτή η δοκιμή, οπότε αποτελεί απόδειξη της ιδέας», είπε ο Mandelbaum. «Υπάρχουν άλλες αστρονομικές έρευνες που έχουν προγραμματιστεί για τα επόμενα χρόνια. Τώρα που γνωρίζουμε ότι αυτό το τεστ λειτουργεί, θα είμαστε σε θέση να το χρησιμοποιήσουμε με καλύτερα δεδομένα που θα είναι διαθέσιμα σύντομα για τον περιορισμό της θεωρίας της βαρύτητας. "
Η ενίσχυση των προγνωστικών δυνάμεων του GR μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα εάν τα σημερινά μοντέλα του σύμπαντος έχουν νόημα, ανέφεραν οι επιστήμονες.
«Οποιαδήποτε δοκιμή μπορούμε να κάνουμε για να χτίσουμε την εμπιστοσύνη μας στην εφαρμογή αυτών των πολύ όμορφων θεωρητικών πραγμάτων αλλά που δεν έχουν δοκιμαστεί σε αυτές τις κλίμακες είναι πολύ σημαντική», δήλωσε ο Gunn. «Σίγουρα βοηθάει όταν προσπαθείτε να κάνετε περίπλοκα πράγματα για να κατανοήσετε τις βασικές αρχές. Και αυτό είναι ένα πολύ, πολύ, πολύ θεμελιώδες πράγμα. "
«Το ωραίο πράγμα για τη μετάβαση στην κοσμολογική κλίμακα είναι ότι μπορούμε να δοκιμάσουμε οποιαδήποτε πλήρη, εναλλακτική θεωρία της βαρύτητας, γιατί πρέπει να προβλέψει τα πράγματα που παρατηρούμε», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Uros Seljak, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο UC Berkeley και επιστήμονας σχολής στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley, ο οποίος βρίσκεται σε άδεια στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης. "Αυτές οι εναλλακτικές θεωρίες που δεν απαιτούν σκοτεινή ύλη αποτυγχάνουν σε αυτές τις δοκιμές."
Πηγές: «Οι επιστήμονες του Πρίνστον λένε ότι η θεωρία του Αϊνστάιν ισχύει πέρα από το ηλιακό σύστημα» (Πανεπιστήμιο του Πρίνστον), «Η μελέτη επικυρώνει τη γενική σχετικότητα σε κοσμική κλίμακα, την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης» (Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Μπέρκλεϋ), «Επιβεβαίωση της γενικής σχετικότητας σε μεγάλες κλίμακες από αδύναμους φακοί και ταχύτητες γαλαξίας "(Nature, arXiv preprint)
