Einsteins teori om generell relativitet (GR) ble publisert i 1915 og besto sin første store test bare noen få år senere, da den forutsagte gravitasjonsavbøyningen av lys som passerte nær sola ble observert under solformørkelsen i 1919.
I 1960 besto GR sin første store test på et laboratorium, her på jorden; Pound-Rebka-eksperimentet. Og i løpet av de ni tiårene siden publiseringen har GR bestått test etter test etter test, alltid med flygende farger (sjekk ut denne anmeldelsen for å få et utmerket sammendrag).
Men testene har alltid vært innenfor solsystemet, eller på annen måte indirekte.
Nå har et team ledet av Princeton University-forskere testet GR for å se om det stemmer på kosmisk skala. Og etter to år med analyse av astronomiske data, har forskerne konkludert med at Einsteins teori fungerer like bra i store avstander som i mer lokale romregioner.
Forskernes analyse av mer enn 70 000 galakser viser at universet - i det minste opp til en avstand på 3,5 milliarder lysår fra Jorden - spiller etter reglene som Einstein har satt i sin berømte teori. Mens GR har blitt akseptert av det vitenskapelige samfunnet i over ni tiår, var det til nå ingen som har testet teorien så grundig og robust på avstander og skalaer som går langt utover solsystemet.
Reinabelle Reyes, en Princeton doktorgradsstudent ved Institutt for astrofysiske vitenskaper, sammen med medforfattere Rachel Mandelbaum, en forskerutdannet forsker, og James Gunn, Eugene Higgins professor i astronomi, redegjorde for deres vurdering i 11. mars-utgaven av Nature.
Andre forskere som samarbeider om papiret inkluderer Tobias Baldauf, Lucas Lombriser og Robert Smith fra University of Zurich og Uros Seljak ved University of California-Berkeley.
Resultatene er viktige, sa de, fordi de kaster opp gjeldende teorier som forklarer universets form og retning, inkludert ideer om mørk energi, og fordriver noen hint fra andre nylige eksperimenter om at generell relativitet kan være feil.
"Alle ideene våre innen astronomi er basert på denne virkelig enorme ekstrapolasjonen, så alt vi kan gjøre for å se om dette stemmer eller ikke på disse skalaene er bare enormt viktig," sa Gunn. "Det legger en annen murstein til grunnlaget som ligger til grunn for det vi gjør."
GR er en, av to, kjerneteorier som ligger til grunn for samtidens astrofysikk og kosmologi (den andre er standardmodellen for partikkelfysikk, en kvanteteori); det forklarer alt fra sorte hull til Big Bang.
De siste årene har flere alternativer til generell relativitet blitt foreslått. Disse modifiserte teoriene om tyngdekraft avviker fra generell relativitet på store skalaer for å omgå behovet for mørk energi, mørk materie eller begge deler. Men fordi disse teoriene ble designet for å samsvare med spådommene om generell relativitet rundt universets ekspansjonshistorie, en faktor som er sentral i dagens kosmologiske arbeid, har det blitt avgjørende å vite hvilken teori som er riktig, eller i det minste representerer virkeligheten best mulig kan tilnærmes.
"Vi visste at vi trengte å se på universets storskala struktur og veksten av mindre strukturer som komponerer det over tid for å finne ut av det," sa Reyes. Teamet brukte data fra Sloan Digital Sky Survey (SDSS), et langsiktig, multi-institusjon teleskopprosjekt som kartla himmelen for å bestemme posisjonen og lysstyrken til flere hundre millioner galakser og kvasarer.
Ved å beregne klyngingen av disse galaksene, som strekker seg nesten en tredjedel av veien til universkanten, og analyserer hastighetene og forvrengningen fra intervenerende materiale - på grunn av svak linsing, først og fremst av mørk materie - har forskerne vist at Einsteins teori forklarer universet i nærheten bedre enn alternative teorier om tyngdekraft.
Princeton-forskerne studerte effekten av tyngdekraften på SDSS-galakser og klynger av galakser over lengre tid. De observerte hvordan denne grunnleggende kraften driver galakser til å klumpe seg inn i større samlinger av galakser og hvordan den former universets utvidelse.
Kritisk, fordi relativitet krever at romets krumning skulle være lik tidens krumning, kunne forskerne beregne om lys var påvirket i like store mengder av begge deler, som det burde være hvis generell relativitet stemmer.
"Dette er første gang denne testen ble utført i det hele tatt, så det er et bevis på konsept," sa Mandelbaum. ”Det er planlagt andre astronomiske undersøkelser de neste årene. Nå som vi vet at denne testen fungerer, vil vi kunne bruke den med bedre data som snart vil være tilgjengelige for å strammere tyngdekraften nærmere. ”
Å styrke opp de prediktive kreftene til GR kan hjelpe forskere å bedre forstå om dagens modeller av universet er fornuftige, sa forskerne.
"Enhver test vi kan gjøre for å bygge vår tillit til å bruke disse veldig vakre teoretiske tingene, men som ikke er testet på disse skalaene, er veldig viktig," sa Gunn. “Det hjelper absolutt når du prøver å gjøre kompliserte ting for å forstå det grunnleggende. Og dette er en veldig, veldig, veldig grunnleggende ting. ”
"Det fine med å gå på den kosmologiske skalaen er at vi kan teste hvilken som helst full, alternativ teori om tyngdekraft, fordi den skal forutsi de tingene vi observerer," sa medforfatter Uros Seljak, professor i fysikk og astronomi ved UC Berkeley og en fakultetsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory som for tiden har permisjon ved Institute of Theoretical Physics ved University of Zurich. "De alternative teoriene som ikke krever mørk materie, mislykkes i disse testene."
Kilder: “Princeton-forskere sier at Einsteins teori gjelder utover solsystemet” (Princeton University), “Studie validerer generell relativitet på kosmisk skala, eksistensen av mørk materie” (University of California Berkeley), “Bekreftelse av generell relativitet på store skalaer fra svake linser og galakshastigheter ”(Nature, arXiv preprint)
