Сравнив данные «Обзора тёмной энергии» с предсказаниями общей теории относительности, учёные обнаружили небольшое расхождение, которое варьируется в зависимости от космического периода.
Согласно общей теории относительности, ткань пространства-времени может искажаться под действием гравитации примерно так же, как груз, помещенный на упругую ткань батута. Вызванная гравитационным притяжением космических объектов, эта деформация называется «гравитационным колодцем». Траектория света искривляется при прохождении через этот колодец, и это явление известно как «гравитационное линзирование». Теория была впервые обоснована в 1919 году во время солнечного затмения, предсказав, что свет отклоняется в два раза сильнее, чем предсказывает теория гравитации Ньютона. Это различие объясняется тем, что, помимо гравитационной деформации пространства, Эйнштейн также ввел деформацию времени — это позволило точно измерить скорость искривления света. Теория Эйнштейна способствовала развитию многих космологических моделей, таких как модель согласия или Λ CDM, описывающая Большой взрыв и ускоряющееся расширение Вселенной.
Эта модель предполагает, что общая относительность правильно описывает гравитацию на всех космологических масштабах. Однако эта гипотеза является предметом споров, и многие физики считают, что эти уравнения могут быть недостоверны на больших космологических расстояниях. Чтобы изучить этот вопрос, исследователи из Женевского университета (UNIGE) и Университета Тулузы III-Поля Сабатье предлагают альтернативный подход, основанный непосредственно на измерениях и не связанный с какой-либо теоретической моделью. Они сравнили гравитационные данные, полученные в рамках проекта «Обзора тёмной энергии», с предсказаниями теории относительности Эйнштейна.
«До сих пор данные Обзора темной энергии использовались для измерения распределения материи во Вселенной. В нашем исследовании мы использовали эти данные для прямого измерения искажения времени и пространства, что позволило нам сравнить наши результаты с предсказаниями Эйнштейна», — объясняет в пресс-релизе Камилла Бонвин из UNIGE, возглавлявшая исследование.
Исследование темной энергии — это международная исследовательская программа с использованием мощного оптического детектора телескопа Victor M. Blanco в обсерватории Серро-Тололо в Чили. Как следует из названия, ее главная цель — изучение темной энергии, гипотетической силы, ответственной за ускорение расширения Вселенной. Для этого в рамках проекта проводится картирование форм и распределения сотен миллионов галактик на очень больших космологических расстояниях, что позволяет заглянуть очень далеко в прошлое Вселенной.
Чтобы изучить эту гипотезу, команда авторов нового исследования проанализировала набор из 100 миллионов галактик в 4 различные эпохи развития Вселенной: 3,5, 5, 6 и 7 миллиардов лет назад. Результаты измерений, описанные в журнале Nature Communications, показывают эволюцию гравитационных колодцев во времени и охватывают более половины времени существования Вселенной. Затем их сравнили с данными, полученными на основе предсказаний общей теории относительности.
Учёные обнаружили, что существует небольшое расхождение между двумя наборами данных в зависимости от космического периода. В далеком прошлом, 6 и 7 миллиардов лет назад, глубина гравитационных колодцев соответствовала предсказанной Эйнштейном. С другой стороны, в период между 3,5 и 5 миллиардами лет назад они оказываются мельче, чем обычно предсказывает общая теория относительности.
Этот период совпадает с моментом, когда расширение Вселенной начало ускоряться. Это позволяет предположить, что оба явления (замедление темпов роста гравитационных колодцев и ускорение расширения Вселенной) могут быть связаны с тем, что на больших космических масштабах гравитация действует не так, как предсказывал Эйнштейн. Другими словами, эти результаты требуют пересмотра общей теории относительности для объяснения явлений космического масштаба.
С другой стороны, разница в совместимости между двумя наборами измерений, проведенных 3,5 и 5 миллиардов лет назад, составляет 3 сигмы.
«Говоря языком физики, такой порог несовместимости вызывает наш интерес и требует дальнейших исследований», — говорит Настасья Гримм из UNIGE, соавтор исследования.
Однако это расхождение не настолько велико, чтобы полностью опровергнуть теорию Эйнштейна. Для этого необходимо достичь или превысить порог в 5 сигм.
«Поэтому очень важно провести более точные измерения, чтобы подтвердить или опровергнуть эти первые результаты и узнать, остается ли эта теория актуальной в нашей Вселенной на очень больших расстояниях», — объясняет Гримм.
Команда планирует продолжить изучение своей гипотезы, проанализировав новые данные космического телескопа «Евклид», измерения кривизны пространства-времени которого будут гораздо более точными. Миссия планирует наблюдать около 1,5 миллиарда галактик, что позволит заглянуть еще дальше в прошлое.