Tutto nell’universo ha gravità, e anche la sente. Tuttavia, è anche questa forza fondamentale più comune che presenta le maggiori sfide ai fisici.
La teoria della relatività generale di Albert Einstein Ha avuto un notevole successo nel descrivere l’attrazione gravitazionale di stelle e pianeti, ma non sembra essere del tutto vero su tutte le scale.
relatività generale Superato molti anni di test di osservazione, da Misurazione di Eddington Dalla diffrazione della luce stellare dal sole nel 1919 a Rivelazione moderna delle onde gravitazionali.
Tuttavia, le lacune nella nostra comprensione iniziano ad apparire quando proviamo ad applicarlo su distanze molto piccole e dove Le leggi della meccanica quantistica funzionanoo quando proviamo a descrivere l’intero universo.
Il nostro nuovo studio, pubblicato in astronomia naturaleOra ha testato la teoria di Einstein su scale più grandi.
Crediamo che il nostro approccio potrebbe un giorno aiutare a risolvere alcuni dei più grandi misteri della cosmologia e i risultati suggeriscono che la relatività generale potrebbe dover essere modificata su questa scala.
modello difettoso?
La teoria quantistica prevede che lo spazio vuoto, il vuoto, sia pieno di energia. Non ci accorgiamo della loro presenza perché i nostri dispositivi possono solo misurare le variazioni di energia piuttosto che la loro quantità totale.
Tuttavia, secondo Einstein, l’energia del vuoto ha un’attrazione ripugnante: allontana lo spazio vuoto. È interessante notare che nel 1998 si è scoperto che l’espansione dell’universo sta di fatto accelerando (una scoperta che è stata concessa con Premio Nobel 2011 per la Fisica).
Tuttavia, la quantità di energia del vuoto, o energia oscura Come è stato chiamato, è necessario spiegare che l’accelerazione è di molti ordini di grandezza inferiore a quanto previsto dalla teoria quantistica.
Da qui la grande domanda, soprannominata il “vecchio problema della costante cosmologica”, è se l’energia del vuoto sia davvero attratta, dando origine alla forza di gravità e alterando l’espansione dell’universo.
Se sì, perché la sua attrazione è molto più debole del previsto? Se il vuoto non viene attratto affatto, cosa provoca l’accelerazione cosmica?
Non sappiamo cosa sia l’energia oscura, ma abbiamo bisogno di postulare la sua esistenza per spiegare l’espansione dell’universo.
Allo stesso modo, dobbiamo anche supporre che esista una sorta di esistenza di materia invisibile soprannominata materia oscuraPer spiegare come le galassie e gli ammassi si sono evoluti per essere il modo in cui li osserviamo oggi.
Questi presupposti sono stati incorporati nella teoria cosmologica standard degli scienziati, chiamata Cold Dark Matter Lambda Model (LCDM), che suggerisce che nell’universo c’è il 70% di energia oscura, il 25% di materia oscura e il 5% di materia ordinaria. Questo modello ha avuto un notevole successo nell’adattare tutti i dati che i cosmologi hanno raccolto negli ultimi 20 anni.
Ma il fatto che la maggior parte dell’universo sia costituita da forze e materia oscura, che assumono valori strani e privi di significato, ha portato molti fisici a chiedersi se la teoria della gravità di Einstein debba essere modificata per descrivere l’intero universo.
Un nuovo sviluppo è emerso alcuni anni fa quando è diventato evidente che diversi modi di misurare il tasso di espansione cosmica, chiamati Costante di Hubbledare risposte diverse – un problema noto come Tensione di Hubble.
Disaccordo o tensione tra due valori della costante di Hubble.
Il primo è il numero previsto dal modello cosmologico LCDM, che è stato sviluppato per corrispondere La luce lasciata dal Big Bang (Il sfondo cosmico a microonde radiazione).
L’altro è il tasso di espansione, che viene misurato osservando le supernove in galassie lontane.
Diverse idee teoriche per i metodi di modulazione LCDM sono state proposte per spiegare la tensione di Hubble. Tra questi ci sono teorie alternative della gravità.
Alla ricerca di risposte
Possiamo progettare test per verificare se l’universo obbedisce alle regole della teoria di Einstein.
La relatività generale descrive la gravità come la curvatura o deflessione dello spazio e del tempo, che piega i percorsi lungo i quali viaggiano luce e materia. È importante sottolineare che prevede che i percorsi dei raggi di luce e materia dovrebbero essere piegati dalla gravità allo stesso modo.
Insieme a un team di cosmologi, abbiamo testato le leggi fondamentali della relatività generale. Abbiamo anche esaminato se la modifica della teoria di Einstein potesse aiutare a risolvere alcuni problemi aperti in cosmologia, come la tensione di Hubble.
Per scoprire se la relatività generale è vera su larga scala, ci siamo proposti, per la prima volta, di indagarne tre aspetti contemporaneamente. Questi erano l’espansione dell’universo, gli effetti della gravità sulla luce e gli effetti della gravità sulla materia.
Utilizzando un metodo statistico noto come inferenza bayesiana, abbiamo ricostruito la gravità dell’universo attraverso la storia cosmica in un modello computerizzato basato su questi tre parametri.
Possiamo stimare i parametri utilizzando i dati di fondo cosmici a microonde dal satellite Planck, i cataloghi di supernova, nonché osservazioni di forme e distribuzione di galassie lontane di SDSS E il DE telescopi.
Quindi abbiamo confrontato la nostra ricostruzione con la previsione al modello LCDM (essenzialmente il modello di Einstein).
Abbiamo trovato spunti interessanti su una possibile discrepanza con le previsioni di Einstein, anche se con una significatività statistica piuttosto bassa.
Ciò significa che esiste ancora la possibilità che la gravità funzioni in modo diverso su larga scala e che potrebbe essere necessario modificare la relatività generale.
Il nostro studio ha anche scoperto che è molto difficile risolvere il problema della tensione di Hubble semplicemente cambiando la teoria della gravità.
Forse una soluzione completa richiederebbe una nuova componente del modello cosmologico, che esisteva prima del tempo in cui protoni ed elettroni si combinavano per la prima volta per formare idrogeno dopo la grande esplosionecome una forma speciale di materia oscura, un primo tipo di energia oscura o campi magnetici primordiali.
O forse c’è un errore sistematico sconosciuto nei dati.
Tuttavia, il nostro studio ha dimostrato che è possibile testare la validità della relatività generale a distanze cosmiche utilizzando dati osservativi. Anche se non abbiamo ancora risolto il problema di Hubble, tra qualche anno avremo molti dati dalle nuove sonde.
Ciò significa che saremo in grado di utilizzare questi metodi statistici per modificare ulteriormente la relatività generale ed esplorare i limiti delle modifiche, per aprire la strada alla risoluzione di alcune delle sfide aperte nella cosmologia.
Kazuya Koyamaprofessore di cosmologia, Università di Portsmouth E il Levon Bogosianoprofessore di fisica, Università Simon Fraser
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