Почему расширение нашей Вселенной ускоряется? Спустя 25 лет после открытия это явление остаётся одной из величайших научных загадок. Для её решения необходимо проверить фундаментальные законы физики, в том числе общую теорию относительности Альберта Эйнштейна.
Согласно теории Эйнштейна, Вселенная деформируется под воздействием материи, подобно большому гибкому листу. Эти деформации, вызванные гравитацией небесных тел, называются «гравитационными колодцами».
Когда свет проходит через эту неоднородную структуру, его траектория искривляется этими углублениями, подобно эффекту стеклянной линзы. Однако в этом случае свет искривляется гравитацией, а не стеклом. Это явление известно как «гравитационное линзирование».
Наблюдение за ним позволяет получить представление о компонентах, истории и расширении Вселенной. Первое измерение, проведённое во время солнечного затмения в 1919 году, подтвердило теорию Эйнштейна, которая предсказывала отклонение света в два раза больше, чем предсказывал Исаак Ньютон. Это различие возникает из-за того, что Эйнштейн ввёл новый ключевой элемент: деформацию времени в дополнение к деформации пространства для достижения точного искривления света.
Сохраняют ли эти уравнения свою силу на краю Вселенной? Этот вопрос изучают многие учёные, стремящиеся количественно оценить плотность материи во Вселенной и понять, почему она расширяется. Используя данные исследования тёмной энергии — проекта по составлению карт формы сотен миллионов галактик, — команда из Женевского университета (UNIGE) и Тулузского университета III — Поль Сабатье — предлагает новые идеи.
«До сих пор данные Dark Energy Survey использовались для измерения распределения материи во Вселенной. В нашем исследовании мы использовали эти данные для непосредственного измерения искажения времени и пространства, что позволило нам сравнить наши результаты с предсказаниями Эйнштейна», — говорит Камилла Бонвен, доцент кафедры теоретической физики факультета естественных наук UNIGE, которая руководила исследованием.
Небольшое расхождение
Данные Dark Energy Survey позволяют учёным заглянуть глубоко в космос и, следовательно, в далёкое прошлое. Франко-швейцарская команда проанализировала 100 миллионов галактик в четырёх разных точках истории Вселенной: 3,5, 5, 6 и 7 миллиардов лет назад. Эти измерения показали, как гравитационные «колодцы» эволюционировали с течением времени, охватывая более половины истории космоса.
«Мы обнаружили, что в далёком прошлом — 6 и 7 миллиардов лет назад — глубина кратеров хорошо согласуется с предсказаниями Эйнштейна. Однако ближе к сегодняшнему дню, 3,5 и 5 миллиардов лет назад, они немного мельче, чем предсказывал Эйнштейн», — рассказывает Исаак Тутусаус, ассистент астронома в Институте исследований в области астрофизики и планетологии (IRAP/OMP) при Университете Тулузы III имени Поля Сабатье и ведущий автор исследования.
Именно в этот период, ближе к сегодняшнему дню, расширение Вселенной начало ускоряться. Таким образом, ответ на два вопроса — ускорение расширения Вселенной и замедление роста гравитационных колодцев — может быть одинаковым: гравитация может подчиняться другим физическим законам в больших масштабах, нежели те, которые предсказал Эйнштейн.
«Наши результаты показывают, что предсказания Эйнштейна не согласуются с измерениями на 3 сигмы. Говоря языком физики, такой порог несоответствия вызывает у нас интерес и требует дальнейших исследований. Но на данном этапе это несоответствие недостаточно велико, чтобы опровергнуть теорию Эйнштейна. Для этого нам нужно достичь порога в 5 сигм.
«Поэтому важно провести более точные измерения, чтобы подтвердить или опровергнуть эти первоначальные результаты и выяснить, остаётся ли эта теория верной в нашей Вселенной на очень больших расстояниях», — говорит Анастасия Гримм, научный сотрудник кафедры теоретической физики в Университете Женевы и соавтор исследования.
Команда готовится к анализу новых данных, полученных с помощью космического телескопа «Евклид», запущенного год назад. Поскольку «Евклид» наблюдает за Вселенной из космоса, его измерения гравитационного линзирования будут значительно более точными. Кроме того, ожидается, что за шесть лет миссии он изучит около 1,5 миллиарда галактик. Это позволит проводить более точные измерения искажений пространства-времени, что даст нам возможность заглянуть в прошлое и в конечном итоге проверить уравнения Эйнштейна.
Источник: Nature Communications, Женевский университет
На изображении:
Гравитационное линзирование далёких галактик скоплением галактик Abell 2390, наблюдаемое спутником «Евклид».
Источник: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, обработка изображения Ж.-К. Куйандре (CEA Париж-Сакле), Г. Ансельми
Дополнительные материалы
