Команда проверяет предсказания Эйнштейна о времени и пространстве

Гравитационное линзирование далеких галактик скоплением галактик Abell 2390, наблюдаемое спутником Euclid. Автор: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi

Почему расширение нашей Вселенной ускоряется? Спустя двадцать пять лет после открытия это явление остается одной из величайших научных загадок. Чтобы его разгадать, необходимо проверить фундаментальные законы физики, включая общую теорию относительности Альберта Эйнштейна.

Согласно теории Эйнштейна, Вселенная деформирована материей, как большой гибкий лист. Эти деформации, вызванные гравитацией небесных тел, называются «гравитационными ямами».

Когда свет проходит через эту нерегулярную структуру, его траектория изгибается этими ямами, подобно эффекту стеклянной линзы. Однако в этом случае свет изгибается гравитацией, а не стеклом. Это явление известно как «гравитационное линзирование».

Наблюдение за ним дает представление о компонентах, истории и расширении Вселенной. Его первое измерение, проведенное во время солнечного затмения в 1919 году, подтвердило теорию Эйнштейна, которая предсказывала отклонение света в два раза больше, чем предсказывал Исаак Ньютон. Это различие возникает из-за введения Эйнштейном нового ключевого элемента: деформации времени, в дополнение к деформации пространства, для достижения точной кривизны света.

Остаются ли эти уравнения справедливыми на краю Вселенной? Этот вопрос исследуют многие ученые, стремящиеся количественно оценить плотность материи в космосе и понять ускорение ее расширения. Используя данные Dark Energy Survey — проекта, картографирующего формы сотен миллионов галактик, — группа из университетов Женевы (UNIGE) и Тулузы III — Поль Сабатье предлагает новые идеи.

«До сих пор данные Dark Energy Survey использовались для измерения распределения материи во Вселенной. В нашем исследовании мы использовали эти данные для непосредственного измерения искажения времени и пространства, что позволило нам сравнить наши результаты с предсказаниями Эйнштейна», — говорит Камиль Бонвен, доцент кафедры теоретической физики факультета естественных наук UNIGE, которая руководила исследованием, теперь опубликованным в Nature Communications.

Небольшое несоответствие

Данные Dark Energy Survey позволяют ученым заглянуть глубоко в космос и, следовательно, далеко в прошлое. Французско-швейцарская команда проанализировала 100 миллионов галактик в четырех различных точках истории Вселенной: 3,5, 5, 6 и 7 миллиардов лет назад. Эти измерения показали, как гравитационные колодцы развивались с течением времени, охватывая более половины истории космоса.

«Мы обнаружили, что в далеком прошлом — 6 и 7 миллиардов лет назад — глубина колодцев хорошо согласуется с предсказаниями Эйнштейна. Однако ближе к сегодняшнему дню, 3,5 и 5 миллиардов лет назад, они немного мельче, чем предсказывал Эйнштейн», — рассказывает Исаак Тутусаус, помощник астронома в Институте исследований в области астрофизики и планетологии (IRAP/OMP) при университете Тулузы III — Поль Сабатье и ведущий автор исследования.

Именно в этот период, ближе к сегодняшнему дню, расширение Вселенной начало ускоряться. Поэтому ответ на два явления — ускорение Вселенной и более медленный рост гравитационных ям — может быть одним и тем же: гравитация может работать по другим физическим законам в больших масштабах, чем те, которые предсказал Эйнштейн.

Бросить вызов Эйнштейну?

«Наши результаты показывают, что предсказания Эйнштейна имеют несовместимость в 3 сигма с измерениями. На языке физики такой порог несовместимости вызывает наш интерес и требует дальнейших исследований. Но эта несовместимость на данном этапе недостаточно велика, чтобы опровергнуть теорию Эйнштейна. Для этого нам нужно достичь порога в 5 сигм.

«Поэтому крайне важно провести более точные измерения, чтобы подтвердить или опровергнуть эти первоначальные результаты и выяснить, остается ли эта теория справедливой в нашей Вселенной на очень больших расстояниях», — говорит Настасья Гримм, научный сотрудник кафедры теоретической физики UNIGE и соавтор исследования.

Команда готовится проанализировать новые данные с космического телескопа Euclid, запущенного год назад. Поскольку Euclid наблюдает за Вселенной из космоса, его измерения гравитационного линзирования будут значительно точнее. Кроме того, ожидается, что он будет наблюдать около 1,5 миллиарда галактик в течение шести лет миссии. Это позволит более точно измерять искажения пространства-времени, позволяя нам заглянуть дальше назад во времени и в конечном итоге проверить уравнения Эйнштейна.

Больше информации: Isaac Tutusaus et al, Measurement of the Weyl potential evolution from the first three years of dark energy survey data, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53363-6

Источник: University of Geneva