Ogólna teoria względności właśnie została zakwestionowana
Ogólna teoria względności Einsteina od dawna uznawana jest za standard służący do opisania zjawiska grawitacji w Układzie Słonecznym. Ale co z wszechświatem jako całością? „W 1998 roku astronomowie dokonali zdumiewającego odkrycia – ustalili, że proces rozszerzania się wszechświata przyspiesza, a nie zwalnia”, mówi Kazuya Koyama, profesor kosmologii na Uniwersytecie w Portsmouth. Zadaniem prof. Koyamy to przyspieszenie ekspansji wszechświata z opóźnieniem czasowym jest największym wyzwaniem, z jakim będą musieli zmierzyć się fizycy teoretyczni i które poddaje w wątpliwość ogólną teorię względności. „Standardowy model kosmologii opiera się na olbrzymiej ekstrapolacji naszej ograniczonej wiedzy na temat grawitacji”, wyjaśnia naukowiec. „To odkrycie może wymagać od nas zrewidowania teorii grawitacji i standardowego modelu kosmologii opartego na teorii względności”. Dzięki unijnemu wsparciu w ramach projektu CosTesGrav Koyama stara się wypełnić tę lukę w wiedzy. „Celem naszego projektu jest opracowanie kosmologicznych testów grawitacji oraz wyjaśnienie źródła zaobserwowanego przyspieszenia ekspansji wszechświata poprzez zakwestionowanie konwencjonalnej teorii względności”, dodaje prof. Koyama.
Od małej do kosmologicznej skali
Badacze z projektu CosTesGrav skoncentrowali się przede wszystkim na opracowaniu ram teoretycznych oraz narzędzi do zbadania fizyki oddziaływań grawitacyjnych w skali kosmologicznej. Punktem wyjścia do tych badań była jednak o wiele mniejsza skala. „Opracowaliśmy szereg narzędzi teoretycznych do przewidywania w małej skali zjawisk zachodzących w skali kosmologicznej. Wykorzystaliśmy do tego celu zmodyfikowane modele grawitacji”, wyjaśnia prof. Koyama. „Wiele informacji jest dostępnych w małej skali, dlatego uznaliśmy za istotne tworzenie przewidywań teoretycznych właśnie w takiej skali, by w przyszłości zmaksymalizować efekty badań kosmologicznych”. Dla zilustrowania olbrzymiego wpływu, jaki wywarło podejście w małej skali, trzeba przyjrzeć się pracom zespołu projektu nad ogólną teorią skalarno-tensorową, będącą rozszerzeniem teorii względności i uwzględniającą pole skalarne. „Wnieśliśmy istotny wkład w rozwój bardziej ogólnych teorii skalarno-tensorowych, które wykraczają poza teorię oryginalną opracowaną w latach 70. XX wieku”, mówi prof. Koyama. Tłumaczy on również, że tego rodzaju prace nie tylko wpływają na badanie teorii grawitacji, ale również stanowią podstawę do prowadzenia badań doświadczalnych grawitacji w skali kosmologicznej w ujęciu ogólnym. „Opracowaliśmy zmodyfikowane teorie grawitacji jako alternatywę dla konwencjonalnych teorii ciemnej materii oraz przeanalizowaliśmy mechanizmy selekcji w celu przywrócenia teorii względności skali, w której teoria ta została dokładnie zbadana”, opowiada naukowiec. „Następnie opracowaliśmy dokładniejsze ramy teoretyczne do przeprowadzenia badań kosmologicznych grawitacji z uwzględnieniem skal nieliniowych. W tym celu wykorzystaliśmy naszą wiedzę teoretyczną na temat modeli, a także najnowocześniejsze symulacje”.
Najważniejsze dopiero przed nami
Pomimo olbrzymich wysiłków badaczom nie udało się znaleźć dobrej alternatywy dla teorii względności, która tłumaczyłaby przyspieszenie wszechświata z opóźnieniem czasowym. „Dokładniejsze określenie prędkości propagacji fal grawitacyjnych w konsekwencji odkrycia w 2018 roku fuzji gwiazd neutronowych istotnie zmieniło krajobraz teorii wykraczających poza teorię względności”, zauważa prof. Koyama. „To zdarzenie uzmysłowiło nam, że czasami obserwacje prowadzą nas w niezbadane rejony, dlatego twórcy modeli teoretycznych muszą mieć otwarty umysł”. Jednocześnie narzędzia opracowane w ramach tego finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych projektu odegrają kluczową rolę w testach niestandardowych modeli kosmologicznych z użyciem przyszłych analiz astronomicznych, takich jakie mają zostać przeprowadzone w ramach misji Euclid prowadzonej przez Europejską Agencję Kosmiczną. „Wkrótce rozpoczną się ekscytujące nowe doświadczenia kosmologiczne, a ja z niecierpliwością oczekuję na moment, w którym możliwe będzie zastosowanie technik opracowanych w ramach naszego projektu do rzeczywistych danych oraz do przeprowadzenia testów teorii względności w skali kosmologicznej”, podsumowuje prof. Koyama.
Słowa kluczowe
CosTesGrav, ogólna teoria względności, wszechświat, kosmologia, fizyka teoretyczna, grawitacja, misja Euclid