Исследование показало, что гравитация оставалась постоянной на протяжении всей истории Вселенной

Уже более 100 лет астрономы знают, что Вселенная расширяется с момента Большого взрыва. В течение первых 8 миллиардов лет скорость расширения была относительно постоянной, поскольку она сдерживалась силой гравитации.

Однако благодаря таким миссиям, как космический телескоп Хаббл, астрономы узнали, что примерно 5 миллиардов лет назад скорость расширения увеличилась.

Это привело к широко распространенной теории о том, что за расширением стоит таинственная сила (известная как темная энергия), в то время как некоторые настаивают на том, что сила гравитации могла меняться с течением времени.

Это спорная гипотеза, поскольку она означает, что общая теория относительности Эйнштейна (которая была подтверждена девятью способами) неверна.

Но согласно новому исследованию международной коллаборации Dark Energy Survey (DES), природа гравитации оставалась неизменной на протяжении всей истории Вселенной.

Эти открытия были сделаны незадолго до того, как два космических телескопа следующего поколения (Нэнси Грейс Роман и Евклид) будут отправлены в космос для проведения еще более точных измерений гравитации и ее роли в космической эволюции.

В состав DES Collaboration входят исследователи из университетов и институтов США, Великобритании, Канады, Чили, Испании, Бразилии, Германии, Японии, Италии, Австралии, Норвегии и Швейцарии. Результаты их третьего года работы были представлены на Международной конференции по физике элементарных частиц и космологии (COSMO’22), которая проходила в Рио-де-Жанейро с 22 по 26 августа. Они также были опубликованы в журнале Physical Review D.

Общая теория относительности Эйнштейна, которую он завершил в 1915 году, описывает, как искривление пространства-времени изменяется в присутствии гравитации.

На протяжении более века эта теория точно предсказывала почти все в нашей Вселенной, от орбиты Меркурия и гравитационного линзирования, до существования черных дыр.

Но между 1960-ми и 1990-ми годами были обнаружены два несоответствия, которые заставили астрономов задаться вопросом, верна ли теория Эйнштейна.

Астрономы отметили, что гравитационные эффекты массивных структур (таких как галактики и скопления галактик) не согласуются с их наблюдаемой массой.

Это породило теорию о том, что пространство заполнено невидимой массой, которая взаимодействует с «нормальной» (также известной как барионная или видимая) материей посредством гравитации. Между тем наблюдаемое расширение космоса (и то, как оно подвержено ускорению) породило теорию темной энергии и космологическую модель лямбда-холодной темной материи (лямбда-CDM).

Холодная темная материя — это интерпретация, в которой эта масса состоит из больших медленно движущихся частиц, а лямбда представляет собой темную энергию. Теоретически эти две силы составляют 95 процентов всей массы и энергии Вселенной, однако все попытки найти прямые доказательства их существования потерпели неудачу.

Единственная возможная альтернатива состоит в том, что теорию относительности необходимо изменить, чтобы учесть эти несоответствия. Чтобы выяснить, так ли это, члены DES использовали 4-метровый телескоп Виктора М. Бланко в обсерватории Серро-Телоло в Чили для наблюдения за галактиками на расстоянии до 5 миллиардов световых лет.

Они надеялись определить, менялась ли гравитация за последние 5 миллиардов лет (с момента начала ускорения) или на космических расстояниях. Они также ознакомились с данными других телескопов, в том числе со спутника ESA Planck , который с 2009 года занимается картографированием космического микроволнового фона (CMB).

Ученые обратили пристальное внимание на то, как изображения, которые они видели, содержали тонкие искажения из-за темной материи (гравитационные линзы). Как показало первое изображение, полученное космическим телескопом Джеймс Уэбб (JWST), ученые могут сделать вывод о силе гравитации, анализируя степень, в которой гравитационная линза искажает пространство-время.

К настоящему моменту DES Collaboration измерила формы более 100 миллионов галактик, и все наблюдения соответствуют предсказаниям общей теории относительности. Хорошая новость заключается в том, что теория Эйнштейна по-прежнему верна, но это также означает, что тайна темной энергии пока сохраняется.

К счастью, астрономам не придется долго ждать появления новых и более подробных данных. Во-первых, это миссия ЕКА «Евклид» , которую планируется запустить не позднее 2023 года. Эта миссия нанесет на карту геометрию Вселенной, заглянув в прошлое на 8 миллиардов лет, чтобы измерить влияние темной материи и темной энергии.

Во-вторых, к маю 2027 года к ней присоединится космический телескоп NASA Nancy Grace Roman, который будет оглядываться назад более чем на 11 миллиардов лет. Это будут самые подробные космологические исследования из когда-либо проводившихся, и ожидается, что они предоставят наиболее убедительные доказательства в пользу (или против) модели Lambda-CDM.

Кроме того, наблюдения Уэбба за самыми ранними звездами и галактиками во Вселенной позволят астрономам наметить эволюцию космоса с самых ранних периодов. Эти усилия могут дать ответ на некоторые из самых насущных загадок во Вселенной.

Они включают в себя то, как Теория относительности и наблюдаемая масса и расширение Вселенной совпадают, но также могут дать представление о том, как гравитация и другие фундаментальные силы Вселенной (как описано квантовой механикой) взаимодействуют – Теория всего (ToE).

Если и есть что-то, что характеризует нынешнюю эру астрономии, так это то, как долгосрочные исследования и инструменты нового поколения объединяются для проверки того, что до сих пор было предметом теории.

Потенциальные прорывы, к которым они могут привести, в конечном итоге произведут революцию в нашем взгляде на Вселенную.