Kosmos to wyjątkowe laboratorium do testowania praw fizyki, w szczególności Eulera i Einsteina. Euler opisał ruchy ciał niebieskich, podczas gdy Einstein opisał sposób, w jaki ciała niebieskie zniekształcają Wszechświat. Od czasu odkrycia ciemnej materii i przyspieszenia ekspansji Wszechświata poprawność ich równań została wystawiona na próbę: czy są w stanie wyjaśnić te tajemnicze zjawiska? Zespół z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) opracował pierwszą metodę sprawdzania. Bierze pod uwagę nigdy wcześniej nie używaną miarę: zniekształcenie czasu. Wyniki opublikowano w Nature Astronomy.
Teorie Leonharda Eulera (1707-1783) i Alberta Einsteina (1879-1955) zrewolucjonizowały nasze rozumienie Wszechświata. Dzięki słynnemu równaniu, które nosi jego imię, Euler dał naukowcom potężne narzędzie do obliczania ruchów galaktyk we Wszechświecie. W swojej ogólnej teorii względności Einstein wykazał, że Wszechświat nie jest statyczną ramą: może być zniekształcony przez gromady gwiazd i galaktyki.
Fizycy przetestowali te równania na różne sposoby, które jak dotąd okazały się skuteczne. Jednak dwa odkrycia nadal wystawiają te modele na próbę: przyspieszenie rozszerzania się Wszechświata i istnienie niewidzialnej ciemnej materii, która, jak się uważa, stanowi 85% całej materii w kosmosie. Czy te tajemnicze zjawiska nadal podlegają równaniom Einsteina i Eulera? Naukowcy wciąż nie potrafią odpowiedzieć na to pytanie.
Brakujący składnik
„Problem polega na tym, że obecne dane kosmologiczne nie pozwalają nam na rozróżnienie między teorią, która łamie równania Einsteina, a tą, która łamie równanie Eulera. To właśnie demonstrujemy w naszym badaniu. Przedstawiamy również matematyczną metodę rozwiązania tego problemu. kulminacja dziesięciu lat badań”, wyjaśnia Camille Bonvin, profesor nadzwyczajny na Wydziale Fizyki Teoretycznej na Wydziale Nauk UNIGE i pierwszy autor badania.
Naukowcy nie byli w stanie rozróżnić ważności tych dwóch równań na samym skraju Wszechświata, ponieważ brakowało im „składnika”: pomiaru zniekształcenia czasu. „Do tego czasu wiedzieliśmy tylko, jak mierzyć prędkość ciał niebieskich oraz sumę zniekształceń czasu i przestrzeni. Opracowaliśmy metodę dostępu do tego dodatkowego pomiaru i jest to pierwsza” – mówi Camille Bonvin.
Jeśli zniekształcenie czasowe nie jest równe sumie czasu i przestrzeni – czyli wynikowi uzyskanemu przez ogólną teorię względności – oznacza to, że model Einsteina nie działa. Jeśli zniekształcenie czasowe nie odpowiada prędkości galaktyk obliczonej za pomocą równania Eulera, oznacza to, że to drugie nie jest ważne. „Pozwoli nam to odkryć, czy we Wszechświecie istnieją nowe siły lub materia, które łamią te dwie teorie” – wyjaśnia Levon Pogosian, profesor na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Simona Frasera w Kanadzie i współautor badania .
Sprawdzenie autentyczności
Wyniki te wniosą istotny wkład w kilka misji, których celem jest ustalenie pochodzenia przyspieszonej ekspansji Wszechświata i natury ciemnej materii. Należą do nich teleskop kosmiczny EUCLID, który zostanie wystrzelony w lipcu 2023 r. przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) we współpracy z UNIGE oraz instrument spektroskopii ciemnej energii (DESI), który rozpoczął swoją 5-letnią misję w 2021 r. w Arizonie . Jest też międzynarodowy projekt gigantycznego radioteleskopu SKA (Square Kilometre Array) w RPA i Australii, który rozpocznie obserwacje w latach 2028/29.
„Nasza metoda zostanie zintegrowana z tymi różnymi misjami. Tak jest już w przypadku DESI, z którym staliśmy się zewnętrznymi współpracownikami dzięki tym badaniom”, zachwyca się Camille Bonvin. Zespół badawczy z powodzeniem przetestował swój model na syntetycznych katalogach galaktyk. Kolejnym etapem będzie przetestowanie go przy użyciu pierwszych danych dostarczonych przez DESI, a także zidentyfikowanie przeszkód i zminimalizowanie systematycznych cech, które mogłyby utrudniać jego zastosowanie.