Para ilmuwan menguji relativitas Einstein pada skala kosmologis, dan menemukan sesuatu yang aneh: ScienceAlert

Segala sesuatu di alam semesta memiliki gravitasi—dan juga merasakannya. Namun, gaya fundamental paling umum inilah yang menghadirkan tantangan terbesar bagi fisikawan.

Teori relativitas umum Albert Einstein Itu sangat berhasil dalam menggambarkan tarikan gravitasi bintang dan planet, tetapi tampaknya tidak sepenuhnya benar pada semua skala.

Relativitas umum Melewati bertahun-tahun tes observasi, dari Pengukuran Eddington Dari difraksi cahaya bintang dari matahari pada tahun 1919 hingga Deteksi modern gelombang gravitasi.

Namun, kesenjangan dalam pemahaman kita mulai muncul ketika kita mencoba menerapkannya pada jarak yang sangat kecil, dan di mana Hukum mekanika kuantum bekerjaatau ketika kita mencoba menggambarkan seluruh alam semesta.

Studi baru kami, Diposting di astronomi alamDia sekarang telah menguji teori Einstein pada skala terbesar.

Kami percaya pendekatan kami suatu hari nanti dapat membantu memecahkan beberapa misteri terbesar dalam kosmologi, dan hasilnya menunjukkan bahwa relativitas umum mungkin perlu dimodifikasi pada skala ini.

model rusak?

Teori kuantum memprediksi bahwa ruang kosong, kekosongan, penuh energi. Kami tidak menyadari kehadirannya karena perangkat kami hanya dapat mengukur perubahan energi daripada jumlah totalnya.

Namun, menurut Einstein, energi ruang hampa memiliki daya tarik tolak – ia mendorong ruang kosong terpisah. Menariknya, pada tahun 1998, ditemukan bahwa perluasan alam semesta ternyata semakin cepat (penemuan yang diberikan dengan Hadiah Nobel Fisika 2011).

Namun, jumlah energi vakum, atau energi gelap Seperti yang telah disebut, perlu dijelaskan bahwa percepatan jauh lebih kecil daripada yang diprediksi oleh teori kuantum.

Oleh karena itu pertanyaan besar, yang dijuluki “Masalah Konstanta Kosmologis Lama”, adalah apakah energi vakum benar-benar tertarik – sehingga menimbulkan gaya gravitasi dan mengubah perluasan alam semesta.

Jika ya, mengapa daya tariknya jauh lebih lemah dari yang diharapkan? Jika ruang hampa tidak tertarik sama sekali, apa yang menyebabkan percepatan kosmik?

Kita tidak tahu apa itu energi gelap, tetapi kita perlu mendalilkan keberadaannya untuk menjelaskan perluasan alam semesta.

Demikian juga, kita juga perlu menganggap bahwa ada semacam keberadaan materi tak terlihat yang dijuluki materi gelapUntuk menjelaskan bagaimana galaksi dan gugusan berevolusi menjadi seperti yang kita amati saat ini.

Asumsi ini telah dimasukkan ke dalam teori kosmologi standar para ilmuwan, yang disebut Cold Dark Matter Lambda Model (LCDM) – yang menunjukkan bahwa ada 70 persen energi gelap, 25 persen materi gelap, dan 5 persen materi biasa di alam semesta. Model ini telah sangat berhasil dalam menyesuaikan semua data yang telah dikumpulkan oleh para kosmolog selama 20 tahun terakhir.

Tetapi fakta bahwa sebagian besar alam semesta terdiri dari gaya dan materi gelap, yang memiliki nilai aneh dan tidak berarti, telah membuat banyak fisikawan bertanya-tanya apakah teori gravitasi Einstein perlu dimodifikasi untuk menggambarkan seluruh alam semesta.

Perkembangan baru muncul beberapa tahun yang lalu ketika menjadi jelas bahwa cara yang berbeda untuk mengukur laju ekspansi kosmik, yang disebut Konstanta Hubbleberikan jawaban yang berbeda – masalah yang dikenal sebagai Tegangan Hubble.

Ketidaksepakatan atau ketegangan antara dua nilai konstanta Hubble.

Yang pertama adalah angka yang diprediksi oleh model kosmologi LCDM, yang dikembangkan untuk mencocokkan Cahaya yang ditinggalkan oleh Big Bang (Itu latar belakang gelombang mikro kosmik radiasi).

Yang lainnya adalah tingkat ekspansi, yang diukur dengan mengamati supernova di galaksi jauh.

Beberapa ide teoritis untuk metode modulasi LCDM telah diusulkan untuk menjelaskan tegangan Hubble. Diantaranya adalah teori alternatif gravitasi.

Mencari jawaban

Kita dapat merancang tes untuk memeriksa apakah alam semesta mematuhi aturan teori Einstein.

Relativitas umum menggambarkan gravitasi sebagai kelengkungan atau defleksi ruang dan waktu, yang membelokkan jalur yang dilalui cahaya dan materi. Yang penting, ia memprediksi bahwa jalur cahaya dan sinar materi harus ditekuk oleh gravitasi dengan cara yang sama.

Bersama dengan tim ahli kosmologi, kami menguji hukum dasar relativitas umum. Kami juga mengeksplorasi apakah memodifikasi teori Einstein dapat membantu memecahkan beberapa masalah terbuka dalam kosmologi, seperti ketegangan Hubble.

Untuk mengetahui apakah relativitas umum benar dalam skala besar, kami berangkat, untuk pertama kalinya, untuk menyelidiki tiga aspek secara bersamaan. Ini adalah perluasan alam semesta, efek gravitasi pada cahaya, dan efek gravitasi pada materi.

Menggunakan metode statistik yang dikenal sebagai inferensi Bayesian, kami merekonstruksi gravitasi alam semesta melalui sejarah kosmik dalam model komputer berdasarkan tiga parameter ini.

Kita dapat memperkirakan parameter menggunakan data latar belakang gelombang mikro kosmik dari satelit Planck, katalog supernova serta pengamatan bentuk dan distribusi galaksi jauh dengan SDSS Dan bawahan teleskop.

Kemudian kami membandingkan rekonstruksi kami dengan prediksi dengan model LCDM (pada dasarnya model Einstein).

Kami menemukan petunjuk menarik tentang kemungkinan ketidakcocokan dengan prediksi Einstein, meskipun dengan signifikansi statistik yang agak rendah.

Ini berarti bahwa masih ada kemungkinan bahwa gravitasi akan bekerja secara berbeda pada skala besar, dan relativitas umum mungkin perlu dimodifikasi.

Studi kami juga menemukan bahwa sangat sulit untuk memecahkan masalah tegangan Hubble hanya dengan mengubah teori gravitasi.

Mungkin solusi lengkap akan membutuhkan komponen baru dari model kosmologis, yang ada sebelum proton dan elektron pertama kali bergabung membentuk hidrogen setelahnya. ledakan besarseperti bentuk khusus materi gelap, jenis energi gelap awal, atau medan magnet primordial.

Atau mungkin ada kesalahan sistematis yang tidak diketahui dalam data.

Namun, penelitian kami menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk menguji validitas relativitas umum pada jarak kosmik menggunakan data pengamatan. Meskipun kami belum memecahkan masalah Hubble, kami akan memiliki banyak data dari probe baru dalam beberapa tahun.

Ini berarti bahwa kita akan dapat menggunakan metode statistik ini untuk memodifikasi relativitas umum lebih lanjut, dan untuk mengeksplorasi batas-batas modifikasi, untuk membuka jalan bagi pemecahan beberapa tantangan terbuka dalam kosmologi.

Kazuya Koyamaprofesor kosmologi, Universitas Portsmouth Dan Levon Bogosianprofesor fisika, Universitas Simon Fraser

Artikel ini telah diterbitkan ulang dari Percakapan Di bawah Lisensi Creative Commons. Membaca artikel asli.