Shkencëtarët testuan teorinë e relativitetit të Ajnshtajnit në një shkallë kozmike dhe gjetën diçka të çuditshme

Çdo gjë në Univers ka gravitet – dhe e ndjen atë gjithashtu. Megjithatë, kjo më e zakonshme nga të gjitha forcat themelore është gjithashtu ajo që paraqet sfidat më të mëdha për fizikantët.

Teoria e relativitetit të përgjithshëm të Albert Ajnshtajnit ka qenë jashtëzakonisht e suksesshme në përshkrimin e gravitetit të yjeve dhe planetëve, por nuk duket se zbatohet në mënyrë të përsosur në të gjitha shkallët.

Relativiteti i përgjithshëm ka kaluar shumë vite testesh vëzhguese, nga matja e Eddington-it të devijimit të dritës së yjeve nga Dielli në vitin 1919 deri në zbulimin e fundit të valëve gravitacionale.

Megjithatë, boshllëqet në të kuptuarit tonë fillojnë të shfaqen kur përpiqemi ta zbatojmë atë në distanca jashtëzakonisht të vogla, ku veprojnë ligjet e mekanikës kuantike, ose kur përpiqemi të përshkruajmë të gjithë universin.

Studimi ynë i ri, i botuar në Nature Astronomy, ka testuar tani teorinë e Ajnshtajnit në shkallën më të madhe.

Ne besojmë se qasja jonë një ditë mund të ndihmojë në zgjidhjen e disa prej mistereve më të mëdha në kozmologji dhe rezultatet lënë të kuptohet se teoria e relativitetit të përgjithshëm mund të ketë nevojë të ndryshohet në këtë shkallë.

Teoria kuantike parashikon se hapësira boshe, vakuumi, është e mbushur me energji. Ne nuk e vërejmë praninë e tij sepse pajisjet tona mund të matin vetëm ndryshimet në energji dhe jo sasinë totale të saj.

Megjithatë, sipas Ajnshtajnit, energjia e vakumit ka një gravitet të neveritshëm – ajo e largon hapësirën boshe. Interesante, në vitin 1998, u zbulua se zgjerimi i Universit në fakt po përshpejtohet (një zbulim i dhënë me çmimin Nobel në fizikë 2011).

Megjithatë, sasia e energjisë së vakumit, ose energjia e errët siç është quajtur, e nevojshme për të shpjeguar nxitimin është shumë rend me madhësi më të vogël se sa parashikon teoria kuantike.

Prandaj pyetja e madhe, e quajtur “problemi i vjetër konstant kozmologjik”, është nëse energjia e vakumit graviton në të vërtetë – duke ushtruar një forcë gravitacionale dhe duke ndryshuar zgjerimin e universit.

Nëse po, atëherë pse graviteti i tij është shumë më i dobët se sa parashikohej? Nëse vakuumi nuk graviton fare, çfarë e shkakton nxitimin kozmik?

Ne nuk e dimë se çfarë është energjia e errët, por duhet të supozojmë se ekziston në mënyrë që të shpjegojmë zgjerimin e Universit.

Në mënyrë të ngjashme, ne gjithashtu duhet të supozojmë se ekziston një lloj pranie e materies së padukshme, e quajtur materia e errët, për të shpjeguar se si galaktikat dhe grupimet evoluuan për të qenë mënyra se si i vëzhgojmë sot.

Këto supozime janë futur në teorinë standarde kozmologjike të shkencëtarëve, të quajtur modeli lambda i materies së errët të ftohtë (LCDM) – duke sugjeruar se ka 70 për qind energji të errët, 25 për qind lëndë të errët dhe 5 për qind lëndë të zakonshme në kozmos. Dhe ky model ka qenë jashtëzakonisht i suksesshëm në përshtatjen e të gjitha të dhënave të mbledhura nga kozmologët gjatë 20 viteve të fundit.

Por fakti që pjesa më e madhe e Universit përbëhet nga forca dhe substanca të errëta, duke marrë vlera të çuditshme që nuk kanë kuptim, ka shtyrë shumë fizikanë të pyesin nëse teoria e gravitetit të Ajnshtajnit ka nevojë për modifikim për të përshkruar të gjithë universin.

Një kthesë e re u shfaq disa vite më parë kur u bë e qartë se mënyra të ndryshme të matjes së shkallës së zgjerimit kozmik, të quajtura konstanta e Hubble, japin përgjigje të ndryshme – një problem i njohur si tensioni i Hubble.

Mosmarrëveshja, ose tensioni, është midis dy vlerave të konstantës Hubble.

Njëri është numri i parashikuar nga modeli kozmologjik LCDM, i cili është zhvilluar për të përputhur dritën e mbetur nga Big Bengu (rrezatimi kozmik i sfondit të mikrovalës).

Tjetra është shkalla e zgjerimit e matur duke vëzhguar yjet në shpërthim të njohur si supernova në galaktikat e largëta.

Shumë ide teorike janë propozuar për mënyrat e modifikimit të LCDM për të shpjeguar tensionin e Hubble. Midis tyre janë teoritë alternative të gravitetit.

Ne mund të hartojmë teste për të kontrolluar nëse universi u bindet rregullave të teorisë së Ajnshtajnit.

Relativiteti i përgjithshëm e përshkruan gravitetin si lakimin ose shtrembërimin e hapësirës dhe kohës, duke përkulur shtigjet përgjatë të cilave lëviz drita dhe materia. E rëndësishmja, ai parashikon që trajektoret e rrezeve të dritës dhe të materies duhet të përkulen nga graviteti në të njëjtën mënyrë.

Së bashku me një ekip kozmologësh, ne vendosëm në provë ligjet bazë të relativitetit të përgjithshëm. Ne gjithashtu eksploruam nëse modifikimi i teorisë së Ajnshtajnit mund të ndihmojë në zgjidhjen e disa problemeve të hapura të kozmologjisë, siç është tensioni i Hubble.

Për të zbuluar nëse relativiteti i përgjithshëm është i saktë në shkallë të gjerë, ne vendosëm, për herë të parë, të hetojmë njëkohësisht tre aspekte të tij. Këto ishin zgjerimi i Universit, efektet e gravitetit në dritë dhe efektet e gravitetit në materie.

Duke përdorur një metodë statistikore të njohur si përfundimi Bayesian, ne rindërtuam gravitetin e Universit përmes historisë kozmike në një model kompjuterik të bazuar në këto tre parametra.

Ne mund të vlerësonim parametrat duke përdorur të dhënat e sfondit kozmik të mikrovalës nga sateliti Planck, katalogët e supernovave si dhe vëzhgimet e formave dhe shpërndarjes së galaktikave të largëta nga teleskopët SDSS dhe DES.

Më pas e krahasuam rindërtimin tonë me parashikimin e modelit LCDM (në thelb modeli i Ajnshtajnit).

Ne gjetëm sugjerime interesante të një mospërputhjeje të mundshme me parashikimin e Ajnshtajnit, megjithëse me një rëndësi statistikore mjaft të ulët.

Kjo do të thotë se megjithatë ekziston mundësia që graviteti të funksionojë ndryshe në shkallë të mëdha dhe se teoria e relativitetit të përgjithshëm mund të ketë nevojë të ndryshohet.

Studimi ynë zbuloi gjithashtu se është shumë e vështirë të zgjidhet problemi i tensionit të Hubble duke ndryshuar vetëm teorinë e gravitetit.

Zgjidhja e plotë ndoshta do të kërkonte një përbërës të ri në modelin kozmologjik, i pranishëm përpara kohës kur protonet dhe elektronet u bashkuan për herë të parë për të formuar hidrogjen menjëherë pas Big Bengut, siç është një formë e veçantë e materies së errët, një lloj i hershëm i energjisë së errët ose fusha magnetike primordiale.

Ose, ndoshta, ka një gabim sistematik ende të panjohur në të dhëna.

Thënë kështu, studimi ynë ka treguar se është e mundur të testohet vlefshmëria e relativitetit të përgjithshëm mbi distancat kozmologjike duke përdorur të dhëna vëzhgimi. Ndërsa ne nuk e kemi zgjidhur ende problemin Hubble, do të kemi shumë më tepër të dhëna nga sondat e reja brenda disa vitesh.

Kjo do të thotë se ne do të jemi në gjendje të përdorim këto metoda statistikore për të vazhduar ndryshimin e relativitetit të përgjithshëm, duke eksploruar kufijtë e modifikimeve, për të hapur rrugën për zgjidhjen e disa prej sfidave të hapura në kozmologji.