Новые результаты DESI подтверждают общую теорию относительности Эйнштейна

Гравитация сформировала нашу Вселенную. Ее влияние превратило крошечные различия в количестве материи, присутствовавшей в ранней Вселенной, в расползающиеся нити галактик, которые мы видим сегодня. Новое исследование с использованием данных спектроскопического инструмента темной энергии (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI) проследило, как эта космическая структура росла за последние 11 миллиардов лет, предоставив самый точный на сегодняшний день тест гравитации в очень больших масштабах.

Коллаборация DESI — это международное сотрудничество более 900 исследователей из более чем 70 учреждений по всему миру, которым управляет Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab). В своем новом исследовании ученые DESI обнаружили, что гравитация ведет себя так, как предсказывает общая теория относительности Эйнштейна.

Результат подтверждает ведущую модель Вселенной и ограничивает возможные теории модифицированной гравитации, которые были предложены в качестве альтернативных способов объяснения неожиданных наблюдений, включая ускоряющееся расширение Вселенной, которое обычно приписывается темной энергии.

«Общая теория относительности была очень хорошо проверена в масштабах планетных систем, но нам также нужно было проверить, что наше предположение работает в гораздо больших масштабах», — сказала Полин Заррук, космолог из Французского национального центра научных исследований (CNRS), работающая в Лаборатории ядерной и физики высоких энергий (LPNHE), которая была одним из руководителей нового анализа. «Изучение скорости формирования галактик позволяет нам напрямую проверять наши теории, и пока что все совпадает с тем, что предсказывает общая теория относительности в космологических масштабах».

Исследование также предоставило новые верхние пределы массы нейтрино, единственных фундаментальных частиц, массы которых еще не были точно измерены. Предыдущие эксперименты с нейтрино показали, что сумма масс трех типов нейтрино должна быть не менее 0,059 эВ/c². (Для сравнения, масса электрона составляет около 511 000 эВ/c².) Результаты DESI указывают, что сумма должна быть меньше 0,071 эВ/c², что оставляет узкое окно для масс нейтрино.

Сотрудничество DESI поделилось своими результатами в нескольких статьях, опубликованных в онлайн-репозитории arXiv. Комплексный анализ использовал почти 6 миллионов галактик и квазаров и позволяет исследователям заглянуть на 11 миллиардов лет в прошлое. Имея данные всего за один год, DESI провел самое точное общее измерение роста структуры, превзойдя предыдущие усилия, на которые уходили десятилетия.

Сегодняшние результаты предоставляют расширенный анализ данных DESI за первый год, который в апреле создал самую большую на сегодняшний день трехмерную карту нашей Вселенной и выявил намеки на то, что темная энергия может эволюционировать с течением времени. Апрельские результаты рассматривали особенность того, как галактики группируются, известную как барионные акустические колебания (BAO). Новый анализ, называемый «анализом полной формы», расширяет область действия для извлечения большего количества информации из данных, измеряя, как галактики и материя распределены в разных масштабах по всему пространству. Исследование потребовало месяцев дополнительной работы и перекрестных проверок. Как и предыдущее исследование, оно использовало технику, чтобы скрыть результат от ученых до самого конца, смягчая любую неосознанную предвзятость.

«И наши результаты BAO, и анализ полной формы впечатляют», — сказал Драган Хутерер, профессор Мичиганского университета и соруководитель группы DESI, интерпретирующей космологические данные. «Это первый раз, когда DESI изучает рост космической структуры. Мы демонстрируем колоссальную новую способность исследовать модифицированную гравитацию и улучшать ограничения на модели темной энергии. И это только вершина айсберга».

DESI — это современный инструмент, который может улавливать свет от 5000 галактик одновременно. Он был построен и эксплуатируется при финансовой поддержке Управления по науке Министерства энергетики США. DESI установлен на 4-метровом телескопе Nicholas U. Mayall Telescope (телескоп Мэйалла) в обсерватории Китт-Пик (программа NSF NOIRLab). Эксперимент в настоящее время находится на четвертом из пяти лет наблюдения за небом и планирует собрать данные около 40 миллионов галактик и квазаров к моменту окончания проекта.

В настоящее время участники коллаборации анализируют собранные за первые три года данные и планируют представить обновленные измерения темной энергии и истории расширения Вселенной весной 2025 года. Расширенные результаты DESI, опубликованные сегодня, согласуются с более ранним предположением эксперимента о темной энергии, что усиливает ожидания предстоящего анализа.

«Темная материя составляет около четверти Вселенной, а темная энергия составляет еще 70 процентов, и мы на самом деле не знаем, что это такое», — сказал Марк Маус из Berkeley Lab, который работал над теорией и проверочными моделями для нового анализа. «Идея о том, что мы можем делать снимки Вселенной и решать эти большие фундаментальные вопросы, просто ошеломляет».