107 anni dopo, stiamo ancora testando la teoria della gravità di Einstein: i risultati sono strani

tutto dentro L’universo ha la gravità e anche lui la sente. Tuttavia, è anche questa forza fondamentale più comune che presenta le maggiori sfide ai fisici. 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 applicabile a tutte le scale.

relatività generale Ha superato molti anni di test di osservazione, che Misurazione di Eddington Dalla deviazione della luce delle stelle dal Sole nel 1919 a L’ultima scoperta 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 stiamo cercando di descrivere l’intero universo.

Il nostro nuovo studio, pubblicato in astronomia naturaleora è stato testato Einstein teoria su scala più ampia. Crediamo che il nostro approccio possa un giorno aiutare a risolvere alcuni dei più grandi misteri della cosmologia, e i risultati suggeriscono che la relatività generale potrebbe aver bisogno di aggiustamenti su questa scala.

problema quantistico

La teoria quantistica prevede che lo spazio, il vuoto, sia pieno di energia. Non ci accorgiamo nemmeno che è lì perché i nostri dispositivi possono solo misurare i cambiamenti di energia piuttosto che la sua quantità totale.

Tuttavia, secondo Einstein, l’energia del vuoto ha un’attrazione repulsiva: allontana lo spazio vuoto l’uno dall’altro. È interessante notare che nel 1998 è stato scoperto che l’espansione dell’universo sta accelerando (una scoperta che è stata ottenuta da Premio Nobel 2011 per la fisica). Tuttavia, la quantità di energia del vuoto, o energia oscura come è stata chiamata, necessaria per spiegare l’accelerazione è molto inferiore a quanto previsto dalla teoria quantistica.

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Quindi la grande domanda, che è stata soprannominata il “vecchio problema della costante cosmologica”, è se l’energia del vuoto attrae e fa sì che la gravità forzi e cambi l’espansione dell’universo.

Se sì, perché la sua gravità è molto più debole del previsto? Se il vuoto non attrae affatto, cosa sta causando l’accelerazione cosmica?

Non sappiamo cosa sia l’energia oscura, ma dobbiamo presumere che esista per spiegare l’espansione dell’universo. Allo stesso modo, dobbiamo anche postulare una sorta di presenza di materia invisibile, soprannominata materia oscura, per spiegare come le galassie e gli ammassi si sono evoluti per essere come li osserviamo oggi.

Fondo cosmico a microonde.NASA

Queste ipotesi sono integrate nella teoria cosmologica standard degli scienziati, chiamata modello lambda della materia oscura fredda (LCDM): si riferisce al 70% dell’energia oscura, al 25% della materia oscura e al 5% della materia ordinaria nell’universo . 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 costituito da forze oscure e materia, che assume valori strani e privi di significato, ha portato molti fisici a chiedersi se la teoria della gravità di Einstein abbia bisogno di una modifica per descrivere l’intero universo.

Un nuovo sviluppo è emerso alcuni anni fa, quando è diventato chiaro che diversi metodi di misurazione della velocità di espansione cosmica, chiamata costante di Hubble, davano 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 rimasta dal Big Bang (radiazione cosmica di fondo a microonde). L’altro è il tasso di espansione, che viene misurato osservando stelle che esplodono note come supernove in galassie lontane.

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Sono state proposte diverse idee teoriche per la modulazione LCDM per spiegare la tensione di Hubble. Tra queste ci sono teorie alternative sulla gravità.

Trova le risposte

La teoria della relatività generale di Einstein continua ad affascinare i fisici.Gado/Archivio foto/Getty Images

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 la deformazione dello spazio e del tempo, piegando i percorsi lungo i quali viaggiano la luce e la materia. Soprattutto, prevede che i percorsi dei raggi di luce e materia dovrebbero essere piegati dalla gravità allo stesso modo.

In collaborazione con un team di cosmologi, abbiamo testato le leggi fondamentali della relatività generale. Abbiamo anche esplorato se la modifica della teoria di Einstein potesse aiutare a risolvere alcuni problemi aperti in cosmologia, come la tensione di Hubble.

Per determinare se la relatività generale è vera su larga scala, abbiamo deciso, per la prima volta, di indagarne simultaneamente tre aspetti. Questi erano l’espansione dell’universo, gli effetti gravitazionali sulla luce e gli effetti gravitazionali 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 cosmici di fondo a microonde del satellite Planck, i cataloghi di supernove e le osservazioni delle forme e della distribuzione delle galassie distanti da SDSS E il DES telescopi. Abbiamo quindi confrontato la nostra ricostruzione con la previsione del modello LCDM (essenzialmente il modello di Einstein).

Abbiamo trovato interessanti spunti 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 la teoria della relatività generale debba essere modificata.

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Il nostro studio ha anche trovato molto difficile risolvere il problema della tensione di Hubble semplicemente cambiando la teoria della gravità. Forse una soluzione completa richiederebbe un nuovo componente nel modello cosmologico, esistente prima del tempo in cui i protoni e gli elettroni si combinarono per la prima volta per formare l’idrogeno subito dopo il Big Bang, come 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.

Il nostro studio dimostra che è possibile testare la validità della relatività generale a distanze cosmiche utilizzando dati osservativi. Anche se non abbiamo risolto il problema di Hubble, avremo più dati dalle nuove sonde tra qualche anno.

Ciò significa che saremo in grado di utilizzare questi metodi statistici per modificare ulteriormente la relatività generale e per esplorare i limiti delle modifiche, per aprire la strada alla soluzione di alcune delle sfide aperte in cosmologia.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato Conversazione di Kazuya Koyama e Levon Pogosian presso l’Università di Portsmouth e la Simon Fraser University. Leggi il L’articolo originale è qui.

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