Ogólna teoria względności działa. Przynajmniej w odległości 3.5 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Do takich wniosków doszli naukowcy, którzy analizowali ponad 70 tysięcy galaktyk w ramach programu Sloan Digital Sky Survey. To pierwsze potwierdzenie teorii Einsteina dokonane w kosmicznej skali. Dotąd bowiem zależność między masą a czasem i przestrzenią udawało się eksperymentalnie potwierdzać na znacznie mniejszej próbie.
Naukowcy z Uniwersytetów Kalifornijskiego w Berkeley, Princeton i Zurychu obserwowali galaktyki rozciągające się na przestrzeni blisko 1/3 znanego nam wszechświata i analizowali ich prędkości oraz zniekształcenia spowodowane oddziałującą z nimi materią. Doszli do wniosku, że Ogólna Teoria Względności tłumaczy ich obserwacje lepiej niż alternatywne teorie grawitacji.
Możliwe, że najważniejszym wnioskiem wynikającym z ich badań jest mocne przypuszczenie, że odpowiedzialność za ruch galaktyk i klastrów galaktyk ponosi ciemna materia. Dotąd nie wykryta i nie poznana forma materii.
Współautor pracy opublikowanej w ostatnim Nature profesor fizyki i astronomi UC w Berkeley Uros Seljak mówi, że badanie ogromnych obszarów kosmosu to jedyna możliwość potwierdzenia teorii względności. - Alternatywne teorie, które nie zakładają istnienia ciemnej materii i energii musiałyby dawać wyniki, które potwierdzą obserwacje, ale teorie te nie zdały egzaminu – mówi prof. Seljak.
Wyniki obserwacji nie zgadzają się także z opublikowanymi w zeszłym roku artykułami wskazującymi, że w młodym wszechświecie, 8-11 miliardów lat temu grawitacja nie podlegała ogólnej teorii względności.
Jedną z teorii, która próbuje opisać ruch galaktyk tak, by nie trzeba było „dodawać” ciemnej materii jest tak zwana teoria tensorowo-wektorowo-skalarnej grawitacji (TeVeS). Jest ona relatywistycznym rozwinięciem Zmodyfikowanej Dynamiki Newtonowskiej stworzonej przez Mordehaja Milgroma, izraelskiego fizyka. Zakłada ona, że oddziaływanie grawitacyjne zmienia się wraz z odległością. Im większa odległość tym grawitacja silniejsza.
Kiedy obserwujemy układ Słoneczny zauważamy, że prędkość obiegu planet wokół słońca maleje wraz z odległością obiektu od gwiazdy. Jest to tak zwane trzecie prawo Keplera. Im dalej planeta jest od słońca tym dłużej obiega gwiazdę.
Natomiast obserwacje spiralnych galaktyk pokazały, że prędkość obiegu gwiazd wokół jądra galaktyki nie zależy w zasadzie od ich odległości od środka.Dlaczego tak się dzieje? Czyżby inne prawa działały w układach planetarnych, a inne w galaktykach.
Wydaje się to nieprawdopodobne. Aby wyjaśnić fenomen naukowcy zaproponowali istnienie niewidzialnej, niemożliwej (na razie) do wykrycia ciemnej materii.Jednak nie wszyscy naukowcy zgadzają się na jej istnienie. To tak jakbyśmy wracali do teorii z początku 20 wieku, kiedy sądzono, że kosmos wypełnia eter. Dopiero Einstein powiedział, że żadnego eteru nie ma. Dziś, gdy nie rozumiemy dlaczego galaktyki obracają się inaczej niż powinny i zamiast poprawiać teorię wymyśliliśmy współczesny eter, czyli ciemną materię i energię.
Tensorowo-wektorowa-skalarna grawitacja (TeVeS) zakłada, że przyśpieszenie wywołane siłą grawitacji zależy nie tylko od masy ciała, ale także od wartości przyśpieszenia wywoływanego przez grawitację.
Do wytłumaczenia coraz szybszego rozszerzania się wszechświata bez uwzględniania istnienia ciemnej energii stworzono między innymi teorię zwaną f(R).
Jak zatem sprawdzić, która teoria jest prawdziwa, skoro nie udało się wykryć ciemnej materii bezpośrednio? Obserwacje kosmologiczne, takie jak choćby obserwacja mikrofalowego promieniowania tła to mierzenie fluktuacji przestrzeni. Natomiast teorie grawitacji przewidują zależności między gęstością a prędkością, lub między gęstością a potencjałem grawitacyjnym.
- Kłopot polega na tym, że wielkość tych fluktuacji nie wyjaśnia kosmologicznych teorii, a jest niedogodnością obserwacyjną, której chcielibyśmy się pozbyć. Nasza metoda badania prawdziwości teorii jest o tyle lepsza, że wyniki obserwacji nie zależą od wielkości fluktuacji. Gdyż opiera się ona na zestawie obserwacji, które nie są wrażliwe na wielkość fluktuacji. Kluczowym pojęciem w badaniu ogólnej teorii względności jest ilość fluktuacji – mówi Seljak
Do badania poprawności modeli kosmologicznych użyto wartości zwanej EG. Mówiąc najprościej jest to wartość odpowiadająca liczbie obserwowanych galaktyk i wielkości zniekształcenia galaktyk spowodowanych zakrzywieniem światła przechodzącego przez materię zakrzywiającą czasoprzestrzeń. Chodzi o zjawisko soczewkowania grawitacyjnego, które powoduje na przykład, że galaktyki kołowe wyglądają jak eliptyczne. EG jest wprost proporcjonalna do średniej gęstości wszechświata i odwrotnie proporcjonalna do tempa wzrostu wszechświata. – Taka szczególna kombinacja pozwala usunąć wielkość fluktuacji i skupić się na wartości, która jest wrażliwa na modyfikacje ogólnej teorii względności.
Używając danych z ponad 70 tysięcy jasnych, odległych, czerwonych galaktyk pochodzących z Sloan Digital Sky Survey prof. Seljak z zespołem policzyli wartość EG i porównali ją z przewidywaniami teorii tensorowo-wektorowo-skalarnej grawitacji (TeVeS), teorii f(R) oraz ogólnej teorii względności zakładającą istnienie ciemnej materii, dodając także stałą kosmologiczną, która odpowiada istnieniu ciemnej energii.
Okazało się, że przewidywania TeVeS nie pasują do obserwacji, natomiast przewidywania f(R) mieściły się w granicy błędu, ale gorzej niż kalkulacje z ogólnej teorii względności.
Naukowcy mają nadzieję, że kolejne obserwacje odległych galaktyk, a więc znacznie starszych, pozwolą jeszcze dokładniej ustalić, która teoria grawitacji jest prawdziwa. W najbliższych latach mają rozpocząć się kolejne eksperymenty, które pozwolą na badanie miliona galaktyk. NASA i ESA (Europejska Agencja Kosmiczna) zamierzają w najbliższych 10–15 latach uruchomić misje do badania ciemnej energii, które powinny dać naukowcom jeszcze dokładniejsze dane.
Prof. Seljak zwraca uwagę, że te obserwacje mogą przybliżyć nas do wyjaśnienia czy ciemna energia i materia w ogóle istnieją. A nie są tylko ułudą, jak kiedyś eter. Określenie czym tak naprawdę są wymaga bezpośredniej obserwacji i badania efektów tych „bytów” na znaną nam materię. Takie eksperymenty zapowiada na najbliższe cztery lata dyrektor CERN, gdzie pracuje Wielki Zderzacz Hadronów. Energie, które naukowcy spodziewają się w nim uzyskać powinny pozwolić na zaobserwowanie cząstek ciemnej materii. A jeśli się nie uda, to zawsze pozostaje stworzenie nowej teorii grawitacji i testowanie jej do skutku.
Andrzej Szozda
Źr. Physorg. com, space.com, wikipedia.org, arxiv.org
