Общая теория относительности Альберта Эйнштейна успешно прошла одну из самых точных проверок в истории космологии, благодаря наблюдениям последних 11 миллиардов лет космической эволюции, собранным с помощью спектроскопического прибора тёмной энергии (DESI).
Теория Эйнштейна 1915 года остаётся лучшим описанием гравитации, позволяя космологам моделировать развитие Вселенной от ранних моментов до нынешнего состояния. Однако, хотя общая теория относительности прошла все испытания в относительно малых масштабах, лишь немногие испытания бросили ей вызов в очень больших масштабах.
Учёные провели один из таких масштабных тестов с использованием DESI, наблюдая почти 6 миллионов галактик и квазаров. Результаты, опубликованные 19 ноября в нескольких статьях в arXiv, показали, что общая теория относительности является правильным объяснением для гравитации в космологических масштабах.
«Общая теория относительности была очень хорошо проверена в масштабах солнечных систем, но нам также нужно было проверить, что она работает в гораздо больших масштабах. Изучение скорости формирования галактик позволяет напрямую проверять наши теории, и пока что мы совпадаем с тем, что предсказывает общая теория относительности в космологических масштабах», — сказала соруководитель исследования и космолог Французского национального центра научных исследований (CNRS) Полин Заррук.
DESI, установленный на 4-метровом телескопе имени Николаса У. Мейолла Национальной обсерватории Китт-Пик, представляет собой современный инструмент, состоящий из 5000 «роботизированных глаз». Эксперимент идёт уже четвёртый год пятилетнего проекта, в ходе которого в конечном итоге будут обнаружены около 40 миллионов галактик и квазаров.
«Тёмная материя составляет около четверти Вселенной, а тёмная энергия составляет ещё 70%, и мы на самом деле не знаем, что это такое. Идея о том, что мы можем делать снимки Вселенной и решать эти большие, фундаментальные вопросы, просто ошеломляет», — сказал член команды Марк Маус, аспирант в Berkeley Lab и UC Berkeley.
Общая теория относительности не может объяснить каждый отдельный элемент Вселенной, который мы наблюдаем в настоящее время, в частности, ускоряющееся расширение и гравитационное воздействие тёмной материи. Ускорение расширения в настоящее время приписывается «замещающей» силе, тёмной энергии, которая избегает описания космологическими моделями, основанными на общей теории относительности.
Эта неспособность объяснить тёмную энергию привела некоторых учёных к выдвижению альтернатив общей теории относительности, основанных на корректировках теории гравитации Исаака Ньютона. Эти теории называют «модифицированными теориями гравитации», и они объясняют наблюдения за Вселенной без необходимости вводить тёмную энергию.
Помимо того, что результаты DESI помогли подтвердить ведущую модель Вселенной, основанную на общей теории относительности, модель лямбда-холодной тёмной материи (LCDM), они также помогли исключить некоторые теории модифицированной гравитации. Кроме того, те же результаты DESI помогли установить верхний предел массы «частиц-призраков», нейтрино.
Новые результаты получены в результате расширенного анализа данных DESI первого года, опубликованных в апреле 2024 года. Эти данные сформировали самую большую трёхмерную карту Вселенной, созданную на сегодняшний день. Результаты DESI апреля были сосредоточены на факторе кластеризации галактик, называемом барионными акустическими колебаниями (BAO), колебаниями в плотности материи, которые позволяют крупномасштабным структурам расти. Новое исследование этих результатов включало то, что исследователи называют «анализом полной формы», который дополнительно раскрыл, как галактики и материя распределены в разных масштабах.
Ожидается, что дальнейшие результаты второго и третьего года работы DESI будут опубликованы весной 2025 года.