Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) wurde 1915 veröffentlicht und bestand wenige Jahre später ihren ersten großen Test, als die vorhergesagte Gravitationsablenkung des in der Nähe der Sonne vorbeiziehenden Lichts während der Sonnenfinsternis von 1919 beobachtet wurde.
1960 bestand GR seinen ersten großen Test in einem Labor hier auf der Erde. das Pfund-Rebka-Experiment. Und in den neun Jahrzehnten seit seiner Veröffentlichung hat GR Test für Test bestanden, immer mit Bravour (eine hervorragende Zusammenfassung finden Sie in dieser Bewertung).
Aber die Tests waren immer im Sonnensystem oder auf andere Weise indirekt.
Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Princeton University GR getestet, um festzustellen, ob dies auf kosmischer Ebene zutrifft. Und nach zwei Jahren der Analyse astronomischer Daten sind die Wissenschaftler zu dem Schluss gekommen, dass Einsteins Theorie sowohl in großen Entfernungen als auch in lokaleren Regionen des Weltraums funktioniert.
Die Analyse der Wissenschaftler von mehr als 70.000 Galaxien zeigt, dass das Universum - mindestens bis zu einer Entfernung von 3,5 Milliarden Lichtjahren von der Erde - nach den Regeln spielt, die Einstein in seiner berühmten Theorie festgelegt hat. Während GR seit über neun Jahrzehnten von der wissenschaftlichen Gemeinschaft akzeptiert wird, hatte bisher niemand die Theorie in Entfernungen und Maßstäben, die weit über das Sonnensystem hinausgehen, so gründlich und robust getestet.
Reinabelle Reyes, eine Princeton-Doktorandin am Department of Astrophysical Sciences, sowie die Co-Autoren Rachel Mandelbaum, eine assoziierte Forschungswissenschaftlerin, und James Gunn, der Eugene Higgins-Professor für Astronomie, erläuterten ihre Einschätzung in der Nature-Ausgabe vom 11. März.
Weitere Wissenschaftler, die an dem Papier mitarbeiten, sind Tobias Baldauf, Lucas Lombriser und Robert Smith von der Universität Zürich sowie Uros Seljak von der University of California-Berkeley.
Die Ergebnisse sind wichtig, sagten sie, weil sie aktuelle Theorien stützen, die die Form und Richtung des Universums erklären, einschließlich Ideen über dunkle Energie, und einige Hinweise aus anderen neueren Experimenten zerstreuen, dass die allgemeine Relativitätstheorie falsch sein könnte.
"Alle unsere Ideen in der Astronomie basieren auf dieser wirklich enormen Extrapolation. Alles, was wir tun können, um zu sehen, ob dies auf diesen Skalen richtig ist oder nicht, ist einfach enorm wichtig", sagte Gunn. "Es fügt dem Fundament einen weiteren Baustein hinzu, der dem zugrunde liegt, was wir tun."
GR ist eine von zwei Kerntheorien, die der gesamten zeitgenössischen Astrophysik und Kosmologie zugrunde liegen (die andere ist das Standardmodell der Teilchenphysik, eine Quantentheorie); es erklärt alles von schwarzen Löchern bis zum Urknall.
In den letzten Jahren wurden mehrere Alternativen zur allgemeinen Relativitätstheorie vorgeschlagen. Diese modifizierten Gravitationstheorien weichen von der allgemeinen Relativitätstheorie in großem Maßstab ab, um den Bedarf an dunkler Energie, dunkler Materie oder beidem zu umgehen. Da diese Theorien jedoch so konzipiert wurden, dass sie den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie über die Expansionsgeschichte des Universums entsprechen, ein Faktor, der für die aktuelle kosmologische Arbeit von zentraler Bedeutung ist, ist es entscheidend geworden, zu wissen, welche Theorie korrekt ist oder zumindest die Realität so gut wie möglich darstellt kann angenähert werden.
"Wir wussten, dass wir uns die großräumige Struktur des Universums und das Wachstum kleinerer Strukturen ansehen müssen, aus denen es sich im Laufe der Zeit zusammensetzt, um dies herauszufinden", sagte Reyes. Das Team verwendete Daten aus dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS), einem langfristigen Teleskopprojekt mit mehreren Institutionen, das den Himmel abbildet, um die Position und Helligkeit von mehreren hundert Millionen Galaxien und Quasaren zu bestimmen.
Durch die Berechnung der Clusterbildung dieser Galaxien, die sich fast ein Drittel des Weges bis zum Rand des Universums erstrecken, und die Analyse ihrer Geschwindigkeiten und Verzerrungen durch dazwischenliegendes Material - aufgrund schwacher Linsen, hauptsächlich durch dunkle Materie - haben die Forscher gezeigt, dass Einsteins Die Theorie erklärt das nahe gelegene Universum besser als alternative Gravitationstheorien.
Die Wissenschaftler von Princeton untersuchten die Auswirkungen der Schwerkraft auf die SDSS-Galaxien und Galaxienhaufen über lange Zeiträume. Sie beobachteten, wie diese fundamentale Kraft Galaxien dazu bringt, sich in größere Galaxiensammlungen zu verklumpen, und wie sie die Expansion des Universums beeinflusst.
Da die Relativitätstheorie erfordert, dass die Krümmung des Raums gleich der Krümmung der Zeit ist, könnten die Forscher kritisch berechnen, ob das Licht von beiden in gleichen Mengen beeinflusst wird, wie es sein sollte, wenn die allgemeine Relativitätstheorie zutrifft.
"Dies ist das erste Mal, dass dieser Test überhaupt durchgeführt wurde. Es ist also ein Proof of Concept", sagte Mandelbaum. „Für die nächsten Jahre sind weitere astronomische Untersuchungen geplant. Jetzt, da wir wissen, dass dieser Test funktioniert, können wir ihn mit besseren Daten verwenden, die bald verfügbar sein werden, um die Gravitationstheorie enger einzuschränken. “
Die Festigung der Vorhersagekraft von GR kann Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, ob aktuelle Modelle des Universums sinnvoll sind, sagten die Wissenschaftler.
"Jeder Test, den wir durchführen können, um unser Vertrauen in die Anwendung dieser sehr schönen theoretischen Dinge zu stärken, die jedoch nicht auf diesen Skalen getestet wurden, ist sehr wichtig", sagte Gunn. „Es ist sicherlich hilfreich, wenn Sie versuchen, komplizierte Dinge zu tun, um die Grundlagen zu verstehen. Und das ist eine sehr, sehr, sehr grundlegende Sache. “
"Das Schöne an der kosmologischen Skala ist, dass wir jede vollständige alternative Theorie der Schwerkraft testen können, da sie die Dinge vorhersagen sollte, die wir beobachten", sagte Co-Autor Uros Seljak, Professor für Physik und Astronomie an der UC Berkeley und ein Fakultätswissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory, der derzeit am Institut für Theoretische Physik der Universität Zürich beurlaubt ist. "Diese alternativen Theorien, die keine dunkle Materie erfordern, bestehen diese Tests nicht."
Quellen: "Princeton-Wissenschaftler sagen, Einsteins Theorie gilt jenseits des Sonnensystems" (Princeton University), "Studie validiert allgemeine Relativitätstheorie auf kosmischer Ebene, Existenz dunkler Materie" (University of California Berkeley), "Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie auf großen Skalen von schwach Linsen- und Galaxiengeschwindigkeiten “(Nature, arXiv Preprint)
