Можно ли решить одну из самых больших загадок астрофизики, переработав теорию гравитации Альберта Эйнштейна? В новом исследовании, в соавторстве с учеными НАСА, говорится, что пока нет. 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 международного обзора темной энергии с использованием 4-метрового телескопа Виктора М. Бланко в Чили знаменует собой последнюю попытку определить, является ли все это просто недоразумением: что ожидания того, как гравитация работает в масштабе всей Вселенной являются ошибочными или неполными. Это потенциальное недоразумение может помочь ученым объяснить темную энергию. Но исследование — одна из самых точных проверок теории гравитации Альберта Эйнштейна в космических масштабах — показывает, что нынешнее понимание все еще кажется правильным.
Результаты, подготовленные группой ученых, в которую входят некоторые из Лаборатории реактивного движения НАСА, были представлены в среду, 23 августа, на Международной конференции по физике элементарных частиц и космологии (COSMO'22) в Рио-де-Жанейро. Работа помогает подготовить почву для двух будущих космических телескопов, которые исследуют наше понимание гравитации с еще большей точностью, чем новое исследование, и, возможно, наконец разгадают тайну.
Более века назад Альберт Эйнштейн разработал свою 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, им нужно изменить некоторые ее уравнения или добавить новые компоненты.
Чтобы выяснить, так ли это, участники Исследования темной энергии искали доказательства того, что сила гравитации менялась на протяжении всей истории Вселенной или на космических расстояниях. Положительный результат будет означать, что теория Эйнштейна неполна, что может помочь объяснить ускоряющееся расширение Вселенной. Они также изучили данные других телескопов помимо Бланко, в том числе спутника ESA (Европейского космического агентства) Planck, и пришли к такому же выводу.
Исследование показало, что теория Эйнштейна все еще работает. Так что объяснения темной энергии пока нет. Но это исследование будет использовано в двух предстоящих миссиях: миссии ЕКА «Евклид», запуск которой запланирован не ранее 2023 года, при участии НАСА; и космический телескоп NASA Nancy Grace Roman, запуск которого запланирован не позднее мая 2027 года. Оба телескопа будут искать изменения силы гравитации во времени или на расстоянии.
Откуда ученые знают, что происходило в прошлом Вселенной? Глядя на удаленные предметы. Световой год — это мера расстояния, которое свет может пройти за год (около 6 триллионов миль или около 9,5 триллионов километров). Это означает, что объект на расстоянии одного светового года кажется нам таким, каким он был год назад, когда свет впервые покинул этот объект. И галактики, находящиеся за миллиарды световых лет от нас, кажутся нам такими, какими они были миллиарды лет назад. В новом исследовании рассматривались галактики, уходящие в прошлое примерно на 5 миллиардов лет. Евклид заглянет на 8 миллиардов лет в прошлое, а Роман заглянет на 11 миллиардов лет назад.
Сами галактики не раскрывают силу гравитации, но то, как они выглядят, если смотреть с Земли. Большая часть материи в нашей Вселенной — это темная материя, которая не излучает, не отражает и не взаимодействует со светом иным образом. Хотя ученые не знают, из чего он сделан, они знают, что он там, потому что гравитация выдает его: большие резервуары темной материи в нашей Вселенной искажают само пространство. Когда свет путешествует в пространстве, он сталкивается с этими частями искривленного пространства, в результате чего изображения далеких галактик кажутся искривленными или размытыми. Это было продемонстрировано на одном из первых изображений, выпущенных космическим телескопом НАСА имени Джеймса Уэбба.
Исследователи Dark Energy Survey исследуют изображения галактик на наличие более тонких искажений из-за искривления пространства темной материей — эффекта, называемого слабым гравитационным линзированием. Сила гравитации определяет размер и распределение структур темной материи, а размер и распределение, в свою очередь, определяют, насколько искривленными кажутся нам эти галактики. Вот как изображения могут показать силу гравитации на разных расстояниях от Земли и в далекие времена на протяжении всей истории Вселенной. В настоящее время группа измерила форму более 100 миллионов галактик, и на данный момент наблюдения соответствуют предсказаниям теории Эйнштейна.
«Все еще есть возможность бросить вызов теории гравитации Эйнштейна, поскольку измерения становятся все более и более точными», — сказала соавтор исследования Агнес Ферте, которая проводила исследование в качестве постдокторанта в JPL. «Но нам еще так много нужно сделать, прежде чем мы будем готовы к Евклиду и Роману. Поэтому важно, чтобы мы продолжали сотрудничать с учеными всего мира по этой проблеме, как мы это сделали с Исследованием темной энергии».
