Czy grawitacja działa inaczej w skali Wszechświata?
Już od lat 30. XX wieku kosmolodzy wiedzą, że nasz Wszechświat się rozszerza – zjawisko to jest zgodne z ogólną teorią względności Einsteina. W 1998 roku odkryto jednak, że proces ten przyspiesza. Choć nie do końca rozumiemy, dlaczego tak się dzieje, naukowcy zidentyfikowali szereg możliwości. Jedną z nich jest istnienie we Wszechświecie ciemnej energii o właściwościach, których nie potrafimy jeszcze opisać. Kolejną jest fakt, że nie rozumiemy w pełni, jak grawitacja działa na bardzo dużych odległościach, poza skalą galaktyk – być może ogólna teoria względności Einsteina nie działa w tej skali. „Kluczowym pytaniem dla kosmologów jest to, które wyjaśnienie jest prawidłowe”, mówi koordynatorka projektu LSSgrav, Camille Bonvin z Uniwersytetu Genewskiego(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Szwajcarii. „Moim celem w projekcie LSSgrav było opracowanie nowych sposobów testowania reguł grawitacji na bardzo dużych odległościach”.
Wielkoskalowa struktura Wszechświata
Aby osiągnąć swoje cele, Bonvin, której badania były wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), przyjrzała się wielkoskalowej strukturze Wszechświata. Jednym z głównych aspektów badań było ustalenie, w jaki sposób rozmieszczone są galaktyki, które są przyciągane do gromad i większych struktur kosmicznych które pod wpływem grawitacji. Należy podkreślić, że nie widzimy galaktyk dokładnie takimi, jakimi są. Światło, które obserwujemy, ulega zniekształceniom pod wpływem wielu czynników, na przykład gdy galaktyka znajduje się w obrębie gęstej gromady. „Podczas gdy kosmolodzy postrzegali to zniekształcenie jako swego rodzaju zanieczyszczenie pomiarów, moje podejście polegało na traktowaniu go nie jako szumu, lecz jako sygnału”, zauważa Bonvin. „Jeśli na podstawie rozmieszczenia galaktyk jesteśmy w stanie – drogą wnioskowania – określić zniekształcenie czasoprzestrzeni, możemy wykorzystać tę obserwację do testowania praw grawitacji”.
Ciemna materia we Wszechświecie
Bonvin postanowiła opracować sposoby pomiaru tych zniekształceń, co nie było łatwym zadaniem. W tym celu opracowane zostały nowe metody obserwacyjne do wyizolowania i wzmocnienia tych efektów. „Kiedy przeprowadzamy tego typu testy, musimy być niezwykle ostrożni”, wyjaśnia Bonvin. „Wiemy, że czegoś nam brakuje – chodzi o ciemną materię, o której wiemy, że istnieje we Wszechświecie – i trudno jest w tej sytuacji dokonać jednoznacznego rozróżnienia. Jeśli pojawia się jakaś anomalia, to czy wynika ona z błędnych założeń ogólnej teorii względności, czy raczej z nietypowego zachowania ciemnej materii?” Stosując swoją nową metodę obserwacyjną do danych syntetycznych naśladujących przyszłe pomiary najnowszej generacji, Bovin wykazała, że możliwe jest odróżnienie efektów grawitacji od wpływu ciemnej materii. „Pokazaliśmy, że teorię grawitacji można testować, porównując stopień zniekształcenia czasu i przestrzeni w celu sprawdzenia, czy oba efekty są sobie równe”, mówi badaczka. „Teoria mówi nam, że te zniekształcenia powinny być sobie równe. Jeśli jednak nie są, oznacza to, że ogólna teoria względności Einsteina nie sprawdza się w przypadku dużych odległości kosmologicznych”.
Zniekształcenie czasu i przestrzeni
Pozytywne wyniki tego nowego podejścia wytyczają nowe kierunki myślenia. „Musimy zawsze z dużą ostrożnością podchodzić do stawianych przez siebie hipotez”, dodaje Bonvin. „Powinniśmy zaakceptować fakt, że istnieje wiele niewiadomych. To obserwowalne podejście polega na dostarczeniu niezbędnych informacji potrzebnych do dokonania rozróżnień”. Bonvin zamierza kontynuować te badania, stosując swoje podejście do nowej generacji danych obecnie gromadzonych, aby przeprowadzić testy umożliwiające rozróżnienie między efektami grawitacji, ciemnej energii i ciemnej materii. Mogłoby to pomóc odpowiedzieć na szereg pytań kosmologicznych, w tym na pytanie, dlaczego proces rozszerzania się Wszechświata przyspiesza.