We hebben Einsteins zwaartekrachttheorie getest op de schaal van het

We hebben Einsteins zwaartekrachttheorie getest op de schaal van het heelal – dit is wat we vonden

Duizenden sterrenstelsels gezien door de James Webb Space Telescope. Nasa

Alles in het universum heeft zwaartekracht – en voelt die ook. Toch is deze meest voorkomende van alle fundamentele krachten ook de kracht die natuurkundigen voor de grootste uitdagingen stelt. De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein is opmerkelijk succesvol geweest in het beschrijven van de zwaartekracht van sterren en planeten, maar hij lijkt niet perfect toe te passen op alle schalen.

De algemene relativiteit heeft vele jaren van observatietests doorstaan, van Eddingtons meting van de afbuiging van sterlicht door de zon in 1919 tot de recente detectie van zwaartekrachtsgolven. Maar er ontstaan gaten in ons begrip als we het proberen toe te passen op extreem kleine afstanden, waar de wetten van de kwantummechanica gelden, of als we proberen het hele heelal te beschrijven.

Onze nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Astronomy, heeft nu Einsteins theorie getest op de grootste schaal. Wij denken dat onze benadering ooit kan helpen bij het oplossen van enkele van de grootste mysteries in de kosmologie, en de resultaten wijzen erop dat de algemene relativiteitstheorie op deze schaal misschien moet worden bijgesteld.

Foutief model?

De kwantumtheorie voorspelt dat de lege ruimte, het vacuüm, vol zit met energie. Wij merken de aanwezigheid ervan niet op omdat onze apparaten alleen veranderingen in energie kunnen meten en niet de totale hoeveelheid.

Volgens Einstein heeft de vacuümenergie echter een afstotende zwaartekracht – het duwt de lege ruimte uit elkaar. Interessant genoeg werd in 1998 ontdekt dat de uitdijing van het heelal in feite versnelt (een bevinding die in 2011 werd bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde).
Maar de hoeveelheid vacuümenergie, of donkere energie zoals het is genoemd, die nodig is om de versnelling te verklaren is vele orden van grootte kleiner dan wat de kwantumtheorie voorspelt.

De grote vraag, ook wel “het oude kosmologische constante probleem” genoemd, is dus of de vacuümenergie daadwerkelijk zwaartekracht uitoefent – een zwaartekracht uitoefent en de uitdijing van het heelal verandert.

Zo ja, waarom is de zwaartekracht dan zoveel zwakker dan voorspeld? Als het vacuüm helemaal niet zwaartekrachtig is, wat veroorzaakt dan de kosmische versnelling?

We weten niet wat donkere energie is, maar we moeten aannemen dat het bestaat om de uitdijing van het heelal te verklaren. Op dezelfde manier moeten we ook aannemen dat er een soort onzichtbare materie aanwezig is, die donkere materie wordt genoemd, om te verklaren hoe sterrenstelsels en clusters zich hebben ontwikkeld tot de manier waarop we ze nu waarnemen.

Deze aannames zijn ingebakken in de standaard kosmologische theorie van wetenschappers, het lambda cold dark matter (LCDM) model – dat suggereert dat er 70% donkere energie is, 25% donkere materie en 5% gewone materie in de kosmos. En dit model past opmerkelijk goed bij alle gegevens die kosmologen de afgelopen 20 jaar hebben verzameld.

Maar het feit dat het grootste deel van het heelal bestaat uit donkere krachten en stoffen, die vreemde waarden aannemen die nergens op slaan, heeft veel natuurkundigen ertoe gebracht zich af te vragen of Einsteins zwaartekrachtstheorie moet worden aangepast om het hele heelal te beschrijven.

Een nieuwe wending verscheen enkele jaren geleden toen duidelijk werd dat verschillende manieren om de snelheid van de kosmische uitdijing te meten, de zogenaamde Hubble-constante, verschillende antwoorden geven – een probleem dat bekend staat als de Hubble-spanning.

De onenigheid, of spanning, zit tussen twee waarden van de Hubble-constante. De ene is het getal dat voorspeld wordt door het LCDM kosmologisch model, dat ontwikkeld is om het licht dat overblijft van de Oerknal (de kosmische microgolf achtergrondstraling) te evenaren. De andere is de expansiesnelheid die wordt gemeten door het waarnemen van exploderende sterren, supernova’s genaamd, in verre sterrenstelsels.

Beeld van de kosmische achtergrondstraling.

Kosmische microgolf achtergrond.
Nasa

Er zijn veel theoretische ideeën voorgesteld voor manieren om het LCDM aan te passen om de Hubble-spanning te verklaren. Daaronder zijn alternatieve zwaartekrachttheorieën.

Graven naar antwoorden

We kunnen tests ontwerpen om te controleren of het universum voldoet aan de regels van Einsteins theorie.
De algemene relativiteit beschrijft de zwaartekracht als het buigen of kromtrekken van ruimte en tijd, waardoor de banen waarlangs licht en materie zich verplaatsen worden gebogen. Belangrijk is dat het voorspelt dat de banen van lichtstralen en materie op dezelfde manier door de zwaartekracht moeten worden gebogen.

Samen met een team kosmologen hebben we de basiswetten van de algemene relativiteit op de proef gesteld. We onderzochten ook of het aanpassen van Einsteins theorie zou kunnen helpen bij het oplossen van enkele openstaande problemen in de kosmologie, zoals de Hubble-spanning.

Om uit te vinden of de algemene relativiteit op grote schalen correct is, gingen we voor het eerst drie aspecten ervan tegelijkertijd onderzoeken. Dat waren de uitdijing van het heelal, de effecten van de zwaartekracht op licht en de effecten van de zwaartekracht op materie.

Met behulp van een statistische methode die bekend staat als de Bayesiaanse inferentie, reconstrueerden we in een computermodel op basis van deze drie parameters de zwaartekracht van het heelal door de kosmische geschiedenis heen. We konden de parameters schatten met behulp van de gegevens over de kosmische microgolfachtergrond van de Planck-satelliet, supernova-catalogi en waarnemingen van de vormen en de verdeling van verre sterrenstelsels door de SDSS- en DES-telescopen.
Vervolgens hebben wij onze reconstructie vergeleken met de voorspelling van het LCDM-model (in wezen het model van Einstein).

We vonden interessante aanwijzingen voor een mogelijke mismatch met Einsteins voorspelling, zij het met een vrij lage statistische significantie. Dit betekent dat er toch een mogelijkheid is dat de zwaartekracht op grote schalen anders werkt, en dat de algemene relativiteitstheorie misschien moet worden bijgesteld.

Onze studie vond ook dat het heel moeilijk is om het Hubble-spanningsprobleem op te lossen door alleen de zwaartekrachttheorie te veranderen. De volledige oplossing zou waarschijnlijk een nieuw ingrediënt in het kosmologisch model vereisen, aanwezig vóór de tijd dat protonen en elektronen voor het eerst samenvloeiden tot waterstof vlak na de oerknal, zoals een speciale vorm van donkere materie, een vroeg type donkere energie of primordiale magnetische velden. Of misschien zit er een nog onbekende systematische fout in de gegevens.

Dat gezegd hebbende, onze studie heeft aangetoond dat het mogelijk is om de geldigheid van algemene relativiteit over kosmologische afstanden te testen met behulp van waarnemingsgegevens. Hoewel we het Hubble-probleem nog niet hebben opgelost, zullen we over een paar jaar veel meer gegevens hebben van nieuwe sondes.

Dit betekent dat we deze statistische methoden zullen kunnen gebruiken om de algemene relativiteit te blijven bijstellen, de grenzen van de wijzigingen te verkennen, en de weg te effenen voor het oplossen van enkele open uitdagingen in de kosmologie.

Het Gesprek

Kazuya Koyama ontvangt financiering van de Science Technology and Facilities Council.

Levon Pogosian ontvangt financiering van de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.