Einsteins teori om generel relativitet (GR) blev offentliggjort i 1915 og bestod sin første store test kun få år senere, da den forudsagte gravitationsafbøjning af lys, der passerede nær solen, blev observeret under solformørkelsen i 1919.
I 1960 bestod GR sin første store test i et laboratorium her på Jorden; Pound-Rebka-eksperimentet. Og i løbet af de ni årtier siden offentliggørelsen har GR bestået test efter test efter test, altid med flyvende farver (tjek denne anmeldelse for at få et fremragende resume).
Men testene har altid været inden for solsystemet eller på anden måde indirekte.
Nu har et team ledet af forskere fra Princeton University testet GR for at se, om det stemmer på kosmiske skalaer. Og efter to års analyse af astronomiske data har forskerne konkluderet, at Einsteins teori fungerer så godt i store afstande som i flere lokale rumregioner.
Forskernes analyse af mere end 70.000 galakser viser, at universet - i det mindste op til en afstand af 3,5 milliarder lysår fra Jorden - spiller efter reglerne, der er fastlagt af Einstein i hans berømte teori. Mens GR er blevet accepteret af det videnskabelige samfund i over ni årtier, havde indtil nu ingen testet teorien så grundigt og robust på afstande og skalaer, der går langt ud over solsystemet.
Reinabelle Reyes, en Princeton-studerende på Institut for Astrofysiske Videnskaber sammen med medforfattere Rachel Mandelbaum, en associeret forsker, og James Gunn, Eugene Higgins professor i astronomi, skitserede deres vurdering i 11. marts-udgaven af Nature.
Andre forskere, der samarbejder om papiret, inkluderer Tobias Baldauf, Lucas Lombriser og Robert Smith fra University of Zurich og Uros Seljak fra University of California-Berkeley.
Resultaterne er vigtige, sagde de, fordi de kæmper op for aktuelle teorier, der forklarer universets form og retning, herunder ideer om mørk energi, og fordriver nogle tip fra andre nylige eksperimenter om, at generel relativitet kan være forkert.
”Alle vores ideer inden for astronomi er baseret på denne virkelig enorme ekstrapolering, så alt hvad vi kan gøre for at se, om dette er rigtigt eller ej på disse skalaer er bare enormt vigtigt,” sagde Gunn. ”Det tilføjer en anden mursten til det fundament, der ligger til grund for det, vi gør.”
GR er en, af to, kerneteorier, der ligger til grund for al nutidens astrofysik og kosmologi (den anden er standardmodellen for partikelfysik, en kvanteteori); det forklarer alt fra sorte huller til Big Bang.
I de senere år er der foreslået flere alternativer til generel relativitet. Disse modificerede teorier om tyngdekraft afviger fra den generelle relativitet på store skalaer for at omgå behovet for mørk energi, mørkt stof eller begge dele. Men fordi disse teorier var designet til at matche forudsigelserne om generel relativitet omkring universets ekspansionshistorie, en faktor, der er central i det aktuelle kosmologiske arbejde, er det blevet afgørende at vide, hvilken teori der er korrekt, eller i det mindste repræsenterer virkeligheden bedst som kan tilnærmes.
”Vi vidste, at vi var nødt til at se på den store skala i universet og væksten af mindre strukturer, der komponerer det over tid for at finde ud af det,” sagde Reyes. Holdet brugte data fra Sloan Digital Sky Survey (SDSS), et langvarigt, multinationalt teleskop-projekt, der kortlægger himlen for at bestemme position og lysstyrke for flere hundrede millioner galakser og kvasarer.
Ved at beregne gruppering af disse galakser, der strækker sig næsten en tredjedel af vejen til universets kant, og analysere deres hastigheder og forvrængning fra mellemliggende materiale - på grund af svag linse, primært af mørkt stof, har forskerne vist, at Einsteins teori forklarer det nærliggende univers bedre end alternative teorier om tyngdekraft.
Princeton-forskerne studerede virkningerne af tyngdekraften på SDSS-galakser og klynger af galakser over lange perioder. De observerede, hvordan denne grundlæggende kraft driver galakser til at klumpe sig ind i større samlinger af galakser, og hvordan den former universets udvidelse.
Kritisk set, fordi relativitet kræver, at rumets krumning var lig med tidens krumning, kunne forskerne beregne, om lys blev påvirket i lige store mængder af begge dele, som det skulle være, hvis den generelle relativitet er sand.
”Dette er første gang denne test overhovedet udføres, så det er et bevis på koncept,” sagde Mandelbaum. ”Der er andre astronomiske undersøgelser planlagt i de næste par år. Nu hvor vi ved, at denne test fungerer, vil vi være i stand til at bruge den med bedre data, der snart vil være tilgængelige for mere stramt at begrænse teorien om tyngdekraft. ”
Oprustning af GR's forudsigelsesevner kan hjælpe forskere med at forstå, om de nuværende universelle modeller er fornuftige, sagde forskerne.
”Enhver test, vi kan gøre for at opbygge vores tillid til at anvende disse meget smukke teoretiske ting, men som ikke er testet på disse skalaer, er meget vigtig,” sagde Gunn. ”Det hjælper bestemt, når du prøver at gøre komplicerede ting for at forstå grundlæggende forhold. Og dette er en meget, meget, meget grundlæggende ting. ”
”Det fine ved at gå på den kosmologiske skala er, at vi kan teste enhver fuld, alternativ teori om tyngdekraft, fordi det skal forudsige de ting, vi observerer,” sagde medforfatter Uros Seljak, professor i fysik og astronomi ved UC Berkeley og en fakultetsvidenskabsmand ved Lawrence Berkeley National Laboratory, der for tiden er på orlov ved Institut for Teoretisk Fysik ved Universitetet i Zürich. ”De alternative teorier, der ikke kræver mørk stof, mislykkes i disse test.”
Kilder: “Princeton-forskere siger, at Einsteins teori gælder ud over solsystemet” (Princeton University), “Undersøgelse validerer generel relativitet på kosmisk skala, eksistensen af mørk stof” (University of California Berkeley), “Bekræftelse af generel relativitet på store skalaer fra svage linse og galakshastigheder ”(Nature, arXiv preprint)
