Mørk energi vs. modificeret tyngdekraft:Hvilken vil sejre?

Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger eksistensen af ​​mørk energi - en mystisk form for energi, der gennemsyrer rummet og accelererer udvidelsen af ​​universet. Men hvad nu hvis Einstein tog fejl, og der ikke var noget der hed mørk energi? GalaxyDance-projektet har undersøgt dette scenarie.

Så præcist som det har vist sig at være indtil videre, generel relativitetsteori er ikke den eneste teori, der kan redegøre for gravitation. Faktisk, der er forskellige alternative teorier derude. Forskere er bare ikke sikre på, hvordan disse kan modstå observationer og simuleringer.

For at lukke dette hul, GalaxyDance-projektet, gennemført med støtte fra Marie Skłodowska-Curie-programmet, har brugt information kodet i ejendommelige hastighedsstatistikker for galakser i det lokale univers samt observerede rødforskydningsrumforvrængninger (RSD) af fjerne galakser.

Dr. Wojciech Hellwing, koordinator for projektet og forskningsstipendiat ved Center for Teoretisk Fysik ved det polske videnskabsakademi, diskuterer projektets resultater indtil videre.

Hvad gør universets udvidelse så svær at forstå?

Når vi går dybere og længere i vores observationer af universet, vi er stadig forundrede over nogle af dens egenskaber. En af disse er den accelererede udvidelse af rum-tid, som i øjeblikket tilskrives mørk energi. Men sandheden er, vi behøver kun at overveje mørk energi, hvis Einsteins teori om tyngdekraft er gyldig på alle skalaer i kosmos.

Der er andre mulige forklaringer på den accelererede ekspansion, som ikke kræver mørk energi. Disse teorier går ud over den generelle relativitetsteori og kaldes almindeligvis "modificeret tyngdekraft". At teste generel relativitetsteori og disse alternativer på intergalaktisk skala er et presserende og vigtigt spørgsmål for moderne ekstragalaktisk astronomi, og det var formålet med GalaxyDance.

Kan du fortælle os mere om din tilgang?

GalaxyDance introducerer en ny tilgang, der består i at bruge lavordensstatistikker over galaksehastigheder og clustering til at teste Einsteins tyngdekraftsteori og dens modstykker. Denne test dækker intergalaktiske skalaer, et regime, hvor tyngdekraftsteorien hidtil ikke er blevet nøje testet. Jeg har vist, at denne tilgang har flere unikke fordele:den er tyngdekraftsmodel uafhængig, fri for betydelig galaksebias og stort set upåvirket af baryonisk fysik.

Jeg har brugt state-of-the-art computersimuleringer, der genskaber et virtuelt univers i en supercomputer. Ved at køre og analysere disse simuleringer, vi kan teste teorier ud over GR og skitsere lovende resultater.

Hvad gør denne tilgang særligt innovativ?

Brugen af ​​store supercomputersimuleringer var tidligere umulig i modeller uden for GR, på grund af deres kompleksitet og numeriske kostbarhed. For at afhjælpe dette problem, vi har besluttet at bruge en hastighedsalgoritme, som - på bekostning af en vis nøjagtighed - kan modellere universets udvikling meget mere effektivt.

Jeg har med succes demonstreret, at i tilfælde af kosmiske hastigheder, en sådan tilnærmet tilgang er tilstrækkelig til at opnå robuste resultater.

Hvad er projektets vigtigste resultater?

Utvivlsomt, det nye sæt store, state-of-the-art simuleringer af alternative teorier, som vil give mulighed for hidtil usete studier af kosmiske hastighedsfelter.

Vi har allerede demonstreret, at lavordensstatistikker for galaksehastighedsfeltet bør indeholde et stærkt signal om modificeret tyngdekraft. Imidlertid, vi har også vist, at at måle og udtrække dette signal, dedikeret og grundig modellering af virkningen af ​​vores nærliggende kosmiske strukturer, såsom Virgo galaksehoben, vil være af afgørende betydning for vores metodes succes.

Hvad håber du stadig at opnå inden projektets afslutning?

Vi vil implementere yderligere modellering af de processer, der bestemmer galaksefarver, lysstyrke og former. Dette vil muliggøre oprettelsen af ​​kunstige galaksekataloger, der viser, hvad der ville være blevet skabt i et univers styret af alternativer til Einsteins tyngdekraftsteori.

Derfra vi vil sammenligne vores resultater med de eksisterende og kommende astronomiske observationer for at give nye stringente test af tyngdekraften på de største skalaer.

Hvad har feedbacken fra det videnskabelige samfund været indtil videre?

Mange kolleger udtrykte interesse og endda entusiasme for vores resultater, da vi præsenterede dem på internationale kosmologiske konferencer. Desuden, vi har startet nye samarbejder med kolleger, der har komplementær ekspertise i galakseobservationer (fra Lyon i Frankrig) og i modellering af nærliggende kosmiske strukturer (kolleger fra Potsdam i Tyskland). Vi er meget begejstrede for disse.

Hvad håber du vil være den langsigtede effekt af projektet? Hvordan forbereder det det videnskabelige samfund til æraen med store kosmologiske data?

GalaxyDance vil give en ny måde at gøre kosmologiske test af gravitationsteorier til virkelighed. De endelige resultater, uanset hvilken teori (mørk energi eller modificeret tyngdekraft) de foretrækker, vil have vidtrækkende og banebrydende konsekvenser for vores forståelse af universet på de største skalaer.

Hvis vores test til sidst giver en signatur af ny fysik forudset i teorier uden for GR, det vil ryste vores nuværende syn og forståelse af den store udvikling af kosmos. Hvis, på den anden side, vores undersøgelse styrker den generelle relativitetsteori, det vil betyde, at vi er nødt til at se mere efter for at forklare mysteriet med mørk energi.