Naukowcy pomagają w badaniu ciemnej energii poprzez testowanie teorii grawitacji
Czy jedna z zagadek astrofizyki może zostać rozwiązana poprzez przerobienie teorii grawitacji Einsteina? Nowe badanie mówi, że jeszcze nie.
Zdjęcie z JWST pokazujące gromadę galaktyk SMACS 0723. Niektóre galaktyki wydają się rozmazane lub rozciągnięte z powodu zjawiska zwanego soczewkowaniem grawitacyjnym. Efekt ten może pomóc naukowcom w mapowaniu obecności ciemnej materii we Wszechświecie.
Źródło: NASA, ESA, CSA oraz STScI.
Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie, a naukowcy nie wiedzą, dlaczego. Zjawisko to wydaje się przeczyć wszystkiemu, co badacze rozumieją na temat wpływu grawitacji na kosmos: to tak, jak byś wyrzucił jabłko w powietrze, a ono dalej leciało w górę, coraz szybciej i szybciej. Przyczyna przyspieszenia, zwana ciemną energią, pozostaje tajemnicą.
Nowe badania przeprowadzone przez Dark Energy Survey, przy użyciu 4-metrowego teleskopu Victora M. Blanco w Chile, to najnowsza próba ustalenia, czy nie jest to po prostu nieporozumienie: czy oczekiwania dotyczące tego, jak działa grawitacja w skali całego Wszechświata, są błędne lub niekompletne. To potencjalne nieporozumienie może pomóc naukowcom w wyjaśnieniu ciemnej energii. Jednak badanie – jeden z najbardziej precyzyjnych testów teorii grawitacji Einsteina w skali kosmicznej – pokazuje, że obecne rozumienie nadal wydaje się być poprawne.
Wyniki zostały przedstawione 23 sierpnia 2022 r. na Międzynarodowej Konferencji Fizyki Cząstek i Kosmologii (COSMO’22) w Rio de Janeiro. Praca ta pomaga przygotować scenę dla dwóch nadchodzących teleskopów kosmicznych, które będą badać nasze zrozumienie grawitacji z jeszcze większą precyzją niż nowe badania i być może ostatecznie rozwiążą zagadkę.
Ponad sto lat temu Albert Einstein opracował swoją ogólną teorię względności, aby opisać grawitację i jak dotąd trafnie przewidziała ona wszystko, od orbity Merkurego po istnienie czarnych dziur. Niektórzy naukowcy argumentują, że jeżeli teoria ta nie może wyjaśnić ciemnej energii, to może trzeba zmodyfikować niektóre z jej równań lub dodać nowe składniki.
Aby dowiedzieć się, czy tak jest, członkowie przeglądu Dark Energy Survey szukali dowodów na to, że siła grawitacji zmieniała się w historii Wszechświata lub na kosmicznych dystansach. Pozytywne wyniki wskazywałyby, że teoria Einsteina jest niekompletna, co mogłoby pomóc w wyjaśnieniu przyspieszającej ekspansji Wszechświata. Przeanalizowali również dane z innych teleskopów oprócz Blanco, w tym z satelity Planck, i doszli do tego samego wniosku.
Badanie wykazało, że OTW nadal działa. Więc nie ma jeszcze wyjaśnienia dla ciemnej energii. Ale badania te zostaną wykorzystane w dwóch nadchodzących misjach: misji Euclid ESA, której start ma nastąpić nie wcześniej niż w 2023 roku, oraz NASA Nancy Grace Roman Space Telescope, którego wystrzelenie nastąpi nie później niż w maju 2027 r. Oba teleskopy będą szukać zmian siły grawitacji w czasie lub odległości.
Skąd naukowcy wiedzą, co działo się w przeszłości Wszechświata? Patrząc na odległe obiekty. Rok świetlny to miara odległości, jaką światło może przebyć w ciągu roku (około 9,5 biliona kilometrów). Oznacza to, że obiekt oddalony o jeden rok świetlny widzimy takim, jakim był rok temu, kiedy światło po raz pierwszy opuściło obiekt. Natomiast galaktyki oddalone o miliardy lat świetlnych widzimy takimi, jakimi były miliardy lat temu. Nowe badanie dotyczyło galaktyk sięgających około 5 miliardów lat wstecz. Euclid zajrzy 8 miliardów lat w przeszłość, a Roman cofnie się o 11 miliardów lat.
Galaktyki same w sobie nie ujawniają siły grawitacji, ale to, jak wyglądają z Ziemi, już tak. Większość materii we Wszechświecie to ciemna materia, która nie emituje, nie odbija ani w żaden inny sposób nie oddziałuje ze światłem. Naukowcy nie wiedzą, z czego jest zrobiona, ale wiedzą, że tam jest, ponieważ grawitacja ją zdradza: duże rezerwuary ciemnej materii w naszym Wszechświecie zakrzywiają przestrzeń. Gdy światło podróżuje przez przestrzeń, napotyka te części zakrzywionej przestrzeni, powodując, że obrazy odległych galaktyk wydają się zakrzywione lub rozmyte. Widać to na jednym z pierwszych zdjęć opublikowanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
Naukowcy z Dark Energy Survey szukają na obrazach galaktyk bardziej subtelnych zniekształceń wywołanych zakrzywieniem przestrzeni przez ciemną materię, efekt zwany słabym soczewkowaniem grawitacyjnym. Siła grawitacji określa rozmiar i rozkład struktur ciemnej materii, a rozmiar i rozkład z koeli określają, jak bardzo zakrzywione są te galaktyki. W ten sposób obrazy mogą ukazać siłę grawitacji w różnych odległościach od Ziemi i odległych czasach w historii Wszechświata. Grupa zmierzyła już kształty ponad 100 milionów galaktyk i jak dotąd obserwacje zgadzają się z tym, co przewiduje teoria Einsteina.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
