Гравитация оставалась постоянной на протяжении всего периода существования Вселенной, показало исследование

Уже более века астрономы знают, что Вселенная расширяется с момента Большого взрыва. Первые 8 миллиардов лет скорость расширения была относительно постоянной, поскольку ее сдерживала сила гравитации.

Однако благодаря таким аппаратам, как космический телескоп "Хаббл", астрономы узнали, что примерно 5 миллиардов лет назад скорость расширения ускорилась.

Это привело к широко признанной теории, что за расширением стоит таинственная сила (известная как Темная энергия), в то время как некоторые настаивают на том, что сила гравитации могла измениться со временем.

Это спорная гипотеза, поскольку она означает, что Общая теория относительности Эйнштейна (которая была подтверждена девятью способами, начиная с воскресенья) неверна.

Но согласно новому исследованию, проведенному международной коллаборацией Dark Energy Survey (DES), природа гравитации оставалась неизменной на протяжении всей истории Вселенной.

Эти выводы сделаны незадолго до отправки в космос двух космических телескопов нового поколения ("Нэнси Грейс Роман" и "Евклид") для проведения еще более точных измерений гравитации и ее роли в космической эволюции.

В DES Collaboration входят исследователи из университетов и институтов США, Великобритании, Канады, Чили, Испании, Бразилии, Германии, Японии, Италии, Австралии, Норвегии и Швейцарии.

Результаты исследований третьего года были представлены на Международной конференции по физике частиц и космологии (COSMO'22), которая проходила в Рио-де-Жанейро с 22 по 26 августа.

Они также были представлены в статье под названием "Dark Energy Survey Year 3 Results: Constraints on extensions to Lambda CDM with weak lensing and galaxy clustering", которая появилась в журнале Американского физического общества Physical Review D.

Общая теория относительности Эйнштейна, которую он завершил в 1915 году, описывает, как изменяется кривизна пространства-времени в присутствии гравитации.

На протяжении более века эта теория точно предсказывала почти все в нашей Вселенной - от орбиты Меркурия и гравитационного линзирования до существования черных дыр.

Но в период с 1960-х по 1990-е годы были обнаружены два несоответствия, которые заставили астрономов задуматься, верна ли теория Эйнштейна. Во-первых, астрономы заметили, что гравитационное воздействие массивных структур (таких как галактики и скопления галактик) не соответствует их наблюдаемой массе.

Это породило теорию о том, что пространство заполнено невидимой массой, которая взаимодействует с "нормальной" (она же "светящаяся" или видимая) материей посредством гравитации. Между тем, наблюдаемое расширение космоса (и его ускорение) породило теорию темной энергии и космологическую модель Лямбда Холодной Темной Материи (Лямбда ХТМ).

Холодная темная материя - это интерпретация, в которой эта масса состоит из крупных, медленно движущихся частиц, а Лямбда представляет собой Темную энергию. Теоретически эти две силы составляют 95 процентов от общей массы-энергии Вселенной, однако все попытки найти прямые доказательства их существования не увенчались успехом.

Единственная возможная альтернатива заключается в том, что теория относительности должна быть изменена, чтобы учесть эти несоответствия. Чтобы выяснить, так ли это, члены DES использовали 4-метровый телескоп Victor M. Blanco в Межамериканской обсерватории Cerro Telolo в Чили для наблюдения за галактиками на расстоянии до 5 миллиардов световых лет.

Они надеялись определить, изменилась ли гравитация за последние 5 миллиардов лет (с момента начала ускорения) или на космических расстояниях. Они также обратились к данным других телескопов, включая спутник ЕКА "Планк", который с 2009 года картирует космический микроволновый фон (CMB).

Они обратили пристальное внимание на то, как изображения, которые они видели, содержали тонкие искажения, вызванные темной материей (гравитационными линзами). Как показало первое изображение, полученное с космического телескопа Джеймса Вебба (JWST), ученые могут судить о силе гравитации, анализируя степень искажения пространства гравитационной линзой.

К настоящему времени коллаборация DES измерила формы более 100 миллионов галактик, и все наблюдения соответствуют предсказаниям общей теории относительности. Хорошей новостью является то, что теория Эйнштейна все еще в силе, но это также означает, что тайна темной энергии пока остается загадкой.

К счастью, астрономам не придется долго ждать, пока появятся новые и более подробные данные. Во-первых, это миссия ЕКА "Евклид", запуск которой запланирован не позднее 2023 года. Эта миссия составит карту геометрии Вселенной, заглянув на 8 миллиардов лет в прошлое, чтобы измерить влияние темной материи и темной энергии.

К маю 2027 года к ней присоединится космический телескоп НАСА "Нэнси Грейс Роман", который заглянет на 11 миллиардов лет назад. Это будут самые подробные космологические исследования из когда-либо проводившихся, и ожидается, что они предоставят наиболее убедительные доказательства в пользу (или против) модели Lambda-CDM.

Как сказала в недавнем пресс-релизе НАСА соавтор исследования Аньес Ферте, которая проводила исследование в качестве постдокторанта в JPL:

"Еще есть возможность оспорить теорию гравитации Эйнштейна, поскольку измерения становятся все более точными. Но нам еще так много предстоит сделать, прежде чем мы будем готовы к Евклиду и Риману. Поэтому очень важно, чтобы мы продолжали сотрудничать с учеными всего мира в решении этой проблемы, как мы это сделали в рамках исследования темной энергии".

Кроме того, наблюдения "Вебба" за самыми ранними звездами и галактиками во Вселенной позволят астрономам проследить эволюцию космоса с самых ранних периодов. Эти усилия способны дать ответы на некоторые из наиболее актуальных загадок Вселенной.

К ним относятся совпадение теории относительности и наблюдаемой массы и расширения Вселенной, а также возможность понять, как взаимодействуют гравитация и другие фундаментальные силы Вселенной (описываемые квантовой механикой) - теория всего (ТО).

Если что-то и характеризует нынешнюю эпоху в астрономии, так это то, как долгосрочные исследования и приборы нового поколения объединяются для проверки того, что до сих пор оставалось предметом теории.

Потенциальные прорывы, к которым они могут привести, несомненно, как восхитят, так и приведут нас в замешательство. Но в конечном итоге они произведут революцию в нашем взгляде на Вселенную.