I årtionden har gravitationsteorin, som härrör från den allmänna relativitetsteorin,
Vid den här tiden upptäckte forskare det förstBeteendet hos avlägsna galaxer motsvarar inte gravitationsteorins förutsägelser. Förvrängningar av rum-tid från avlägsna kluster och stjärnsystem visade sig vara mycket starkare än massan av sådana objekt beräknad utifrån observationer.
Senare, i slutet av 1990-talet, forskareupptäckte ett annat ovanligt faktum. Det visar sig att universums expansionshastighet ökar med tiden. Denna effekt utgjorde ytterligare en utmaning för Albert Einsteins teori: materiens gravitationseffekter var tänkta att bromsa universums expansion, inte påskynda den. Den moderna kosmologiska modellen - ΛCDM-modellen - har hittat svar på dessa frågor, men forskare ger inte upp hoppet om att utmana genialiteten under första hälften av 1900-talet.
Varför tror forskare att universum expanderar i snabbare takt?
Universums accelererade expansion upptäcktes i1998 som ett resultat av två oberoende teams arbete samtidigt: Supernova Cosmology Project och High-Z Supernova Search Group. Båda forskargrupperna studerade accelerationen av universums expansion genom att analysera avlägsna stjärnexplosioner.
La-typ supernovor har nästan sammastandard ljusstyrka. Genom att observera ljusstyrkan hos sådana föremål kan man bestämma hur långt bort de är. Dessutom, när universum expanderar, skiftar ljus från avlägsna objekt till den röda sidan av spektrumet. Genom att mäta rödförskjutning kan man avgöra hur mycket universum har expanderat sedan supernovan inträffade.
Astrofysiker under dessaexperiment var övertygade om att universum skulle expandera i en långsammare takt, varefter processen antingen skulle stoppa eller börja dra ihop sig. Men det oväntade resultatet, som båda grupperna av vetenskapsmän oberoende kom fram till, var att universum expanderar i en accelererande takt.
Universums expansion bekräftades senareandra metoder. Mätning av den kosmologiska mikrovågsbakgrunden (spår av Big Bang), effekter av gravitationslinser och analys av baryon akustiska svängningar bekräftar hypotesen om universums expansion.
2007 tilldelades båda lagen som upptäckte effekten av universums expansion Gruberpriset inom kosmologiområdet, och 2011 tilldelades tre av deltagarna Nobelpriset i fysik.
Accelererad expansion av universum. Bild: NASA, STSci, Ann Feild
Hur förklarar man den accelererade expansionen?
För att förklara observationerna (universums expansion och den starkare förvrängningen av rum-tid från avlägsna galaxer) introducerade forskare två nya modeller - mörk materia och mörk energi.
Mörk materia är en hypotetisk formmateria, som forskare tror utgör cirka 85 % av materien i universum. Det kallas mörkt eftersom det inte interagerar med det elektromagnetiska fältet på något sätt. Med andra ord, sådan materia reflekterar, absorberar eller avger inte ljus och andra elektromagnetiska vågor. Den har dock sin egen massa, och därav gravitationsinflytandet. Att lägga till mörk materia till kosmologiska modeller hjälper till att förklara den starkare gravitationen hos avlägsna galaxer.
Mörk energi är en hypotetisk formenergi, till skillnad från mörk materia, är lite känt om det. Mörk energi tros vara mycket homogen, inte särskilt tät och kan inte interagera med någon av de grundläggande krafterna förutom gravitationen. Denna energi är associerad med vakuumenergin. Om vi antar att när universum expanderar och ledigt utrymme ökar, ökar denna energi, då kan övergången från enhetlig till accelererad expansion förklaras.
Även om hypotesen om mörk energi beskriver brade processer som observeras i universum, dess själva existens och interaktion endast med gravitationsfältet är svåra att associera med den allmänna relativitetsteorin och Einsteins gravitationsteori.
Hur testar man teorin?
Vissa forskare tror att om teoringravitationen kan inte förklara mörk energi, kanske är den ofullständig, och ytterligare en parameter eller variabel måste läggas till i ekvationen som kommer att knyta samman alla observationer. För att testa denna hypotes letar forskare i det förflutna efter tecken på ett brott mot gravitationsteorin.
Ett sådant arbete är internationell forskningmörk energi med hjälp av det 4-meters Victor Blanco-teleskopet i Chile. Resultaten av denna observation presenterades i augusti vid den internationella konferensen om partikelfysik och kosmologi (COSMO’22) i Rio de Janeiro.
Studiedeltagare letade efter bevisdet faktum att tyngdkraften har förändrats genom universums historia, eller i det avlägsna förflutna. För sitt arbete använde de, förutom huvudteleskopet Blanco, data från Planck-satelliten från European Space Agency.
Astrofysiker har studerat bilder av galaxer pånärvaron av mer subtila förvrängningar på grund av krökningen av rymden av mörk materia - en effekt som kallas svag gravitationslinsning. Tyngdkraften avgör storleken och fördelningen av mörk materias strukturer, och storleken och fördelningen avgör i sin tur hur krökta dessa galaxer ser ut för oss.
Genom att mäta alla dessa parametrar är det möjligt att bestämma kraftengravitationen i avlägsna galaxer. Och eftersom ljuset från dem tar miljoner och miljarder år att nå oss, undersöker forskare i huvudsak hur gravitationen betedde sig tidigare.
Forskarna rapporterade att de redan har studeratgravitationskrafter och former i mer än 100 miljoner galaxer, men i alla experiment överensstämmer observationer helt med Einsteins teori. Så, naturen hos mörk energi förblir ett mysterium.
Gravitationslinser, som det som syns i den första James Webb-bilden, hjälper forskare att utforska mörk materia och gravitation i avlägsna system. Bild: NASA, ESA, CSA, STScI
Vad är nästa?
Einsteins teori står sig fortfarande, men forskarefortsätta att testa dess styrka. Ett nytt försök att förklara mörk energis natur kommer att göras av satellituppdrag. Europeiska rymdorganisationen planerar att skjuta upp rymdteleskopet Euclid 2023. Enhetens instrument kommer att mäta rödförskjutningar för galaxer som ligger på olika avstånd från jorden och utforska sambandet mellan rödförskjutning och avstånd.
Utvecklare förväntar sig att Euclid ska kunnase tillbaka 8 miljarder år. Med hjälp av ultraexakta mätningar kommer han att kunna ta reda på hur det stod till med gravitation, mörk materia och mörk energi i den här eran.
NASA planerar ett liknande uppdrag:2027 planerar man att skjuta upp det romerska rymdteleskopet Nancy Grace i jordens omloppsbana. Forskarna tror att han kommer att kunna studera galaxer som ligger på ett avstånd av 11 miljarder ljusår och studera det tidigaste universum.
Läs mer:
De första bilderna av den underjordiska delen av Mars överraskade forskarna
Från kroppen till munnen: forskare har förstått var tänderna kom ifrån
Var på planeten kommer att vara farligast år 2100: en ny karta har publicerats
Omslag: Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons