Einstein'ın Kütleçekim Teorisini Evren Ölçeğinde Test Ettik - İşte Bulduklarımız

Evrendeki her şey kütleçekime sahiptir ve de kütleçekimi hisseder. Ancak tüm temel kuvvetlerin en yaygını bu kuvvet, aynı zamanda fizikçilere en fazla zorluk çıkarandır. Albert Einstein'ın genel görelilik teorisi, yıldızların ve gezegenlerin kütleçekimini tanımlamada oldukça başarılı olmuştur, ancak her ölçekte mükemmel bir şekilde geçerli görünmüyor.

Genel görelilik, 1919'da Eddington'ın yıldız ışığının Güneş tarafından saptırılmasıyla ilgili ölçümünden kütleçekimsel dalgaların son tespitine kadar uzun yıllar süren gözlemsel testlerden geçmiştir. Ancak, bunu kuantum mekaniği yasalarının işlediği son derece küçük mesafelere uygulamaya çalıştığımızda veya tüm evreni tanımlamaya çalıştığımızda, anlayışımızdaki boşluklar ortaya çıkmaya başlar.

Nature Astronomy'de yayınlanan yeni çalışmamız, şimdi Einstein'ın teorisini en büyük ölçeklerde test etti. Yaklaşımımızın bir gün kozmolojideki en büyük gizemlerden bazılarını çözmeye yardımcı olabileceğine inanıyoruz ve sonuçlar, genel görelilik teorisinin bu ölçekte düzeltilmesi gerekebileceğine işaret ediyor.

 

Hatalı model?

Kuantum teorisi boş uzayın, vakumun, enerji ile dolu olduğunu öngörür. Varlığını fark etmeyiz çünkü cihazlarımız enerjinin toplam miktarı yerine sadece değişimlerini ölçebilir.

Ancak Einstein'a göre vakum enerjisinin itici kütleçekimi vardır - boş uzayı birbirinden uzaklaştırır. İlginç bir şekilde, 1998'de evrenin genişlemesinin aslında hızlandığı keşfedildi (2011 Nobel fizik ödülüne layık görülen bir bulgu). Bununla birlikte, ivmeyi açıklamak için gerekli olan vakum enerjisi, veya karanlık enerji, miktarı kuantum teorisinin öngördüğünden çok daha küçüktür.

Bu nedenle, "eski kozmolojik sabit problemi" olarak adlandırılan büyük soru, vakum enerjisinin gerçekten çekim yapıp yapmadığı - kütleçekimsel bir kuvvet uygulayıp evrenin genişlemesini değiştirip değiştirmediğidir.

Yapıyor ise, kütleçekimi neden öngörülenden çok daha zayıf? Vakum hiç çekim yapmıyorsa, kozmik ivmeye sebep olan nedir?

Karanlık enerjinin ne olduğunu bilmiyoruz, ancak evrenin genişlemesini açıklamak için var olduğunu varsaymamız gerekiyor. Benzer şekilde, galaksilerin ve kümelerin bugün onları gözlemlediğimiz şekilde nasıl evrimleştiğini açıklamak için, karanlık madde adı verilen bir tür görünmez maddenin varlığını da varsaymamız gerekir.

Bu varsayımlar, bilim insanlarının, lambda soğuk karanlık madde (LCDM) modeli adı verilen, standart kozmolojik teorisine dönüştürüldü - model, kozmosta %70 karanlık enerji, %25 karanlık madde ve %5 sıradan madde olduğunu öne sürüyor. Ve bu model, son 20 yılda kozmologlar tarafından toplanan tüm verilere uymada oldukça başarılı oldu.

Ancak evrenin büyük bir kısmının karanlık kuvvetlerden ve maddelerden oluşması, anlamsız tuhaf değerler alması, birçok fizikçiyi Einstein'ın kütleçekim teorisinin tüm evreni tanımlamak için değişikliğe ihtiyacı olup olmadığını merak etmeye sevk etti.

Birkaç yıl önce, Hubble sabiti olarak adlandırılan kozmik genişleme hızını ölçmenin farklı yollarının farklı yanıtlar verdiği ortaya çıktığında - Hubble gerilimi olarak bilinen bir sorun - beklenmedik bir gelişme baş gösterdi.

Uyumsuzluk veya gerilim, Hubble sabitinin iki değeri arasındadır. Biri, Büyük Patlama'dan artakalan ışıkla (kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu) eşleşmesi için geliştirilmiş LCDM kozmolojik modeli tarafından tahmin edilen sayıdır. Diğeri ise uzak galaksilerde süpernova olarak bilinen patlayan yıldızların gözlemlenmesiyle ölçülen genişleme hızıdır.

Kozmik mikrodalga arka plan.

 

Hubble gerilimini açıklamak için LCDM'yi değiştirmenin yolları için birçok teorik fikir önerilmiştir. Bunların arasında alternatif kütleçekim teorileri vardır.

 

Cevapları aramak

Evrenin Einstein'ın teorisinin kurallarına uyup uymadığını kontrol etmek için testler tasarlayabiliriz. Genel görelilik, kütleçekimi uzay ve zamanın bükülmesi veya kıvrılması, ışık ve maddenin ilerlediği yolları şekillendirmesi olarak tanımlar. Daha da önemlisi, ışık ışınlarının ve maddenin yörüngelerinin de aynı şekilde kütleçekim tarafından bükülmesi gerektiğini öngörür.

Kozmologlardan oluşan bir ekiple birlikte, genel göreliliğin temel yasalarını test ediyoruz. Ayrıca Einstein'ın teorisini değiştirmenin, Hubble gerilimi gibi, kozmolojinin bazı açık problemlerini çözmeye yardımcı olup olmayacağını da araştırdık.

Genel göreliliğin büyük ölçeklerde doğru olup olmadığını bulmak için, ilk kez, üç yönünü aynı anda araştırmaya koyulduk. Bunlar evrenin genişlemesi, kütleçekimin ışık üzerindeki etkileri ve kütleçekimin madde üzerindeki etkileriydi.

Bayesci çıkarım olarak bilinen istatistiksel bir yöntem kullanarak, bu üç parametreye dayalı bir bilgisayar modelinde kozmik tarih boyunca evrenin kütleçekimini yeniden oluşturduk. Parametreleri, Planck uydusundan gelen kozmik mikrodalga arka plan verilerini, süpernova kataloglarını ve ayrıca SDSS ve DES teleskoplarından uzak galaksilerin şekil ve dağılım gözlemlerini kullanarak tahmin edebildik. Daha sonra yeniden yapılandırmamızı LCDM modelinin (esasen Einstein'ın modeli) tahminiyle karşılaştırdık.

Oldukça düşük istatistiksel anlamlılığa sahip olsa da, Einstein'ın tahminiyle olası bir uyumsuzluğa dair ilginç ipuçları bulduk. Bu, yine de kütleçekimin büyük ölçeklerde farklı şekilde çalışma olasılığının olduğu ve genel görelilik teorisinin ince ayar gerektirebileceği anlamına gelir.

Çalışmamız ayrıca Hubble gerilim problemini sadece kütleçekim teorisini değiştirerek çözmenin çok zor olduğunu da buldu. Tam çözüm muhtemelen kozmolojik modelde, protonların ve elektronların Büyük Patlama'dan hemen sonra hidrojen oluşturmak için ilk kez birleştiği zamandan önce mevcut olan, örneğin özel bir karanlık madde biçimi, erken bir karanlık enerji türü veya lkel manyetik alanlar gibi yeni bir bileşen gerektirecektir. Ya da, belki de, verilerde henüz bilinmeyen sistematik bir hata vardır.

Bununla birlikte, çalışmamız, genel göreliliğin geçerliliğini gözlemsel verileri kullanarak kozmolojik mesafeler üzerinden test etmenin mümkün olduğunu göstermiştir. Hubble problemini henüz çözmemiş olsak da, birkaç yıl içinde yeni sondalardan çok daha fazla veriye sahip olacağız.

Bu, genel göreliliği değiştirmeye devam etmek, değişikliklerin sınırlarını keşfetmek ve kozmolojideki bazı açık zorlukları çözmenin yolunu açmak için bu istatistiksel yöntemleri kullanabileceğimiz anlamına gelir.

 

Kazuya Koyama, Kozmoloji Profesörü, Portsmouth Üniversitesi ve Levon Pogosian, Fizik Profesörü, Simon Fraser Üniversitesi

Bu makale The Conversation'da yayınlanmıştır.