Rumteleskop for at teste Einsteins teorier om tyngdekraften

Et nyt rumteleskop designet til at kigge ind i nogle af de fjerneste områder i universet kunne endelig besvare et af de mest forvirrende spørgsmål omkring Albert Einsteins generelle relativitetsteori.

Euklides mission, som skal lanceres af European Space Agency i 2021, vil tage billeder af milliarder af fjerne galakser for at give ny indsigt i, hvordan tyngdekraften fungerer i dybden af ​​rummet.

Einsteins berømte teori, som han udgav i 1915, anses bredt for at være den bedste måde at forklare tyngdekraften på. Det siger i det væsentlige, at massive genstande får rummet og tiden til at kurve, hvilket får andre genstande til at falde mod dem.

Men selvom generel relativitet synes at være i overensstemmelse med, hvordan forskere observerer tyngdekraften, der opfører sig i vores eget solsystem og galakse, det begynder at se mindre overbevisende ud på større skalaer.

Observationer af fjerne supernovaer tyder på, at vores univers accelererer, når det udvider sig, selvom nogle forskere bestrider dette. For at accelereret ekspansion kan ske under generel relativitet kræver, at universet er gennemsyret af en mystisk, og indtil videre uopdaget, 'mørk energi', der er nødvendig for at drive processen.

Mens mange fysikere er overbevist om eksistensen af ​​mørk energi, andre leder efter alternative forklaringer.

'Generel relativitet er en meget god teori til at beskrive tyngdekraften, sagde professor Kazuya Koyama, en kosmolog ved University of Portsmouth i Storbritannien. 'Men når vi anvender det på en stor, kosmologisk skala, vi ser nogle meget mærkelige ting, som vi har brug for mørk energi til at forklare. Problemet er, at vi ikke aner, hvad mørk energi er.

'Hvis den generelle relativitet ændres, vi har muligvis slet ikke brug for mørk energi for at forklare, hvad der foregår. '

Prof. Koyama leder et projekt kaldet CosTesGrav, som bruger observationer af fjerne galakser til at hjælpe med at udvikle nye teorier, der ændrer generel relativitet, så den fungerer på store skalaer. De data indsamlet af Euclid, når de lanceres, vil være afgørende for at hjælpe dem med at gøre dette.

20 seksten miles

CosTesGrav -forskerne bruger observationer af galakser, der er op til 3,3 milliarder lysår (20 seksten miles) væk for at lede efter små forvrængninger i deres form forårsaget af tyngdekraften.

Den generelle relativitetsteori siger, at lys er bøjet af tyngdekraften, hvilket betyder, at det kan efterlade en markant signatur i lyset udsendt af fjerne astronomiske objekter som galakser.

CosTesGrav -teamet har allerede brugt billeder fra Hubble -rumteleskopet til at lede efter nogle af disse forvrængninger og fandt ud af, at signaturen efterladt af tyngdekraften er i overensstemmelse med den generelle relativitet.

Men professor Koyama mener, at større undersøgelser som dem, der er foretaget af Euclid, kunne give dem mulighed for at opdage forvridninger, der tyder på, at der kan være noget andet på arbejde.

'Vi er nødt til at forklare succesen med generel relativitet på små skalaer, men samtidig ændre den over meget store skalaer, sagde prof. Koyama. 'Det er en udfordring. Vi har to tilgange-den ene er at komme med teoretiske modeller og bruge state-of-the-art simuleringer til at teste dem.

'Den anden er at bruge observationerne og lede efter underskrifterne fra en afvigelse fra den generelle relativitet.'

Han siger, at kombinationen af ​​disse fremgangsmåder vil gøre det muligt for forskerne at udnytte Euclids meget præcise kort over fordelingen af ​​galakser og teste generel relativitet på en kosmologisk skala.

Deres arbejde kunne ikke kun løse en af ​​de største fremragende gåder om universet, men kunne også radikalt omskrive vores forståelse af vores sted i den.

Ekstra dimensioner

En førende alternativ teori til mørk energi antyder, at rumtid kan have ekstra dimensioner, som kun er mulige at detektere på den kosmologiske skala.

'Dette er spændende, da vi måske finder noget meget anderledes end den sædvanlige opfattelse af rumtid på meget store skalaer, sagde prof. Koyama. 'Men i øjeblikket er vores nuværende forståelse af generel relativitet sikker.'

En ændring af generel relativitet, imidlertid, kunne have vigtige konsekvenser her på Jorden. De fleste af os bruger teorien hver dag, når vi følger anvisningerne på vores mobiltelefoner eller i bilnavigationssystemer.

'GPS -nøjagtigheden (det globale positioneringssystem) er fantastisk, men det er kun muligt på grund af justeringer ved hjælp af generel relativitet, forklarede prof Koyama. 'Vi ved ikke, hvor vigtige eventuelle opdagelser, vi vil gøre i fremtiden, vil være for den fremtidige teknologiske udvikling.'

De data indsamlet af Euclid vil også vise sig vitale for forskere, der arbejder på et andet projekt, der ikke kun ønsker at teste den generelle relativitetsteori, men også kaste lys over nogle af de indledende forhold, der førte til universets nuværende struktur.

GrInflaGal -projektet bruger observationer af massive galaksehobe - enorme, tætte strukturer bundet sammen af ​​tyngdekraften i rummet dannet af millioner af galakser - for at undersøge fordelingen af ​​stof i universet og tyngdekraftens virkninger.

'Vi ønsker at modellere galaksehobe på store skalaer, men for at gøre dette skal vi vide, hvordan disse galakser opfører sig, sagde Dr. Fabian Schmidt, en kosmolog ved Max Planck Institute for Astrophysics in Garching, Tyskland, der leder GrInflaGal -projektet.

Ved at måle, hvordan andre objekter omkring galaksehobe opfører sig - såsom at se på forskelle i hastighed i forhold til deres masse - mener forskerne, at de kan måle tyngdekraften i disse enorme strukturer og så teste, om de overholder generel relativitet.

Klump

Dette kunne derefter bruges til at opklare, hvordan universet gik fra at være et varmt, ensartet klump tæt materiale til en, hvor galakser er spredt i klynger, der ses i dag.

'Målet er at have en næsten optimal måde at teste tyngdekraften fra kommende undersøgelser som Euclid, sagde Dr. Schmidt. 'Vi aner ikke, hvordan inflationen i det tidlige univers skete, men undersøgelser som Euclid kan forbedre de begrænsninger, vi bruger.

'Tyngdekraften er en så grundlæggende del af vores fysiske forståelse af universet, og kosmologi giver os chancen for at undersøge den i en meget større skala end nogensinde før. '