Правота Эйнштейна в его самой известной теории подтвердилась 100 лет спустя — только сейчас

Математика, разработанная Альбертом Эйнштейном в начале XX века для описания гравитационных процессов в физической Вселенной, по-прежнему актуальна. В ходе масштабной проверки общей теории относительности команда астрономов составила карту распределения почти 6 млн галактик за 11 млрд лет истории Вселенной. Результаты исследования полностью совпали с предсказаниями ученого.

В научном сообществе проделанную работу охарактеризовали как самую крупную проверку общей теории относительности на сегодняшний день. Она охватывает большую часть истории Вселенной за 13,8 млрд лет. Это означает, что теория сохраняет свою силу как в самых больших масштабах, так и в самых маленьких.

«Общая теория относительности была очень хорошо проверена на масштабах солнечных систем, но нам нужно было проверить, что наше предположение работает и в переносе на большие системы, — говорит космолог Полин Заррук. — Изучение скорости формирования галактик позволяет нам напрямую проверить наши теории, и пока что мы согласны с тем, что предсказывает общая теория относительности в космологических масштабах».

Система, выстроенная Эйнштейном, подтвердилась на примере того, как гравитация объединяет галактики в космическую паутину, противостоящую внешнему притяжению расширения Вселенной, и того, как эта сеть развивается со временем.

Гравитация является основополагающим фактором в устройстве Вселенной. Исследователям известно, что объекты с массой стремятся притянуть другие объекты с массой, что сила притяжения прямо пропорциональна массе и что она изменяет геометрию пространства-времени вокруг массы.

По словам ученых, гравитация действует как клей, скрепляющий Вселенную. Большие нити гравитационных полей, создаваемых темной материей, охватывают всю Вселенную, образуя своего рода паутину. Большая часть материи во Вселенной распределена по нитям и узлам этой космической сети.

Это предсказуемо, измеримо и пока что хорошо ограничивается и определяется теорией общей относительности. Но поиск недостатков в теории мог бы открыть решения некоторых проблем, например непримиримых различий между квантовой механикой и классической физикой. Поэтому ученые продолжают изучать общую теорию относительности, чтобы выяснить, соответствует ли содержимое Вселенной тому, как оно должно выглядеть на всех масштабах.

Это заставило исследователей обратиться к Спектроскопическому прибору темной энергии (DESI) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Сегодня под аббревиатурой DESI понимается огромная международная коллаборация ученых, которая в настоящее время работает над составлением карты наблюдаемой Вселенной, чтобы разгадать ее самые большие секреты.

Проект работает с 2019 года. Новые результаты основаны на подробном и расширенном анализе данных, полученных за первый год функционирования прибора. С их помощью коллаборация DESI провела тщательный обзор 5,7 млн галактик и квазаров за всю историю Вселенной. Они составили карту роста, эволюции и распределения внутри космической сети, начиная с ранних этапов 11 млрд лет назад.

Для предсказания результатов команда использовала общую теорию относительности — и полученные данные совпали с прогностической моделью. «Добавьте больше гравитации или отнимите немного, и Вселенная уже не будет выглядеть так, как раньше», — говорят исследователи.

Этим открытиям предшествовала работа, опубликованная ранее в 2024 году. Ученые измерили скорость расширения Вселенной на основе космических реликтов акустических волн, которые застыли, когда рассеялся атомный туман, заполнявший раннюю Вселенную. Группа DESI надеется, что дальнейшие усилия позволят пролить свет на эволюцию Вселенной и, в свою очередь, на загадочные силы, которые ею движут.

«Это первый раз, когда DESI рассматривает рост космической структуры, — говорит физик Драган Хутерер. — Мы демонстрируем новые потрясающие возможности для исследования модифицированной гравитации и улучшения ограничений на модели темной энергии. И это только верхушка айсберга».

Результаты также позволили установить верхний предел массы нейтрино — частицы, которая настолько «призрачна», что ее невозможно точно взвесить. Исследование продолжается, как и работа коллаборации. К тому времени, когда прибор завершит свою работу, он соберет данные более чем о 40 млн галактик и квазаров.

Одна из главных надежд исследователей — раскрыть природу темной материи, таинственного невидимого нечто, создающего дополнительную гравитацию во Вселенной. А также темной энергии, ответственной за переменное ускорение расширения Вселенной.

«Темная материя составляет примерно четверть Вселенной, а темная энергия — еще 70%, и мы пока не знаем, что представляет собой то и другое, — говорит физик Марк Маус. — Идея о том, что мы можем делать снимки Вселенной и находить ответы на эти большие, фундаментальные вопросы, просто умопомрачительна».

Результаты исследования были поданы на публикацию и представлены в трех новых препринтах, загруженных в архив arXiv до начала экспертной оценки.

Ранее исследователи получили ответ еще на один вопрос, волнующий научное сообщество: нашли источник света, рассеявший тьму в ранней Вселенной. Разобраться в этом не могли десятки лет.