Gepubliceerd in 1915, Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie (GR) slaagde slechts enkele jaren later voor de eerste grote test, toen de voorspelde zwaartekrachtafbuiging van licht dat nabij de zon passeerde werd waargenomen tijdens de zonsverduistering van 1919.
In 1960 slaagde GR voor de eerste grote test in een laboratorium, hier op aarde; het Pound-Rebka-experiment. En in de negen decennia sinds de publicatie heeft GR test na test na test doorstaan, altijd met vlag en wimpel (bekijk deze recensie voor een uitstekende samenvatting).
Maar de tests zijn altijd binnen het zonnestelsel geweest, of anderszins indirect.
Nu heeft een team onder leiding van wetenschappers van Princeton University GR getest om te zien of het waar is op kosmische schalen. En na twee jaar astronomische gegevens te hebben geanalyseerd, hebben de wetenschappers geconcludeerd dat de theorie van Einstein zowel op grote afstanden als in meer lokale gebieden van de ruimte werkt.
De analyse van de wetenschappers van meer dan 70.000 sterrenstelsels toont aan dat het universum - op zijn minst tot een afstand van 3,5 miljard lichtjaar van de aarde - zich houdt aan de regels die Einstein in zijn beroemde theorie heeft uiteengezet. Hoewel GR al meer dan negen decennia door de wetenschappelijke gemeenschap wordt geaccepteerd, had tot nu toe niemand de theorie zo grondig en robuust getest op afstanden en schalen die veel verder gaan dan het zonnestelsel.
Reinabelle Reyes, een afgestudeerde student aan Princeton aan de afdeling Astrofysische Wetenschappen, samen met co-auteurs Rachel Mandelbaum, een associate research scholar, en James Gunn, de Eugene Higgins Professor of Astronomy, schetsten hun beoordeling in de editie van 11 maart.
Andere wetenschappers die aan het artikel hebben meegewerkt, zijn Tobias Baldauf, Lucas Lombriser en Robert Smith van de Universiteit van Zürich en Uros Seljak van de Universiteit van Californië-Berkeley.
De resultaten zijn belangrijk, zeiden ze, omdat ze de huidige theorieën ondersteunen die de vorm en richting van het universum verklaren, inclusief ideeën over donkere energie, en enkele hints uit andere recente experimenten verdrijven dat algemene relativiteit misschien verkeerd is.
"Al onze ideeën in de astronomie zijn gebaseerd op deze werkelijk enorme extrapolatie, dus alles wat we kunnen doen om te zien of dit klopt of niet op deze schaal is gewoon enorm belangrijk", zei Gunn. "Het voegt een nieuwe steen toe aan de fundering die ten grondslag ligt aan wat we doen."
GR is een van de twee kerntheorieën die ten grondslag liggen aan alle hedendaagse astrofysica en kosmologie (de andere is het standaardmodel van de deeltjesfysica, een kwantumtheorie); het verklaart alles, van zwarte gaten tot de oerknal.
De afgelopen jaren zijn er verschillende alternatieven voorgesteld voor algemene relativiteitstheorie. Deze gewijzigde theorieën over zwaartekracht vertrekken van de algemene relativiteitstheorie op grote schaal om de behoefte aan donkere energie, donkere materie of beide te omzeilen. Maar omdat deze theorieën zijn ontworpen om te voldoen aan de voorspellingen van algemene relativiteitstheorie over de expansiegeschiedenis van het universum, een factor die centraal staat in het huidige kosmologische werk, is het cruciaal geworden om te weten welke theorie correct is, of op zijn minst de realiteit zo goed weergeeft als kan worden benaderd.
"We wisten dat we moesten kijken naar de grootschalige structuur van het universum en de groei van kleinere structuren die het in de loop van de tijd vormden om erachter te komen," zei Reyes. Het team gebruikte gegevens van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), een langlopend telescoopproject met meerdere instellingen dat de hemel in kaart bracht om de positie en helderheid van honderden miljoenen sterrenstelsels en quasars te bepalen.
Door de clustering van deze sterrenstelsels, die bijna een derde van de weg naar de rand van het heelal beslaan, te berekenen en hun snelheden en vervorming door tussenliggend materiaal te analyseren - als gevolg van zwakke lensing, voornamelijk door donkere materie - hebben de onderzoekers aangetoond dat Einstein's theorie verklaart het nabije heelal beter dan alternatieve theorieën over zwaartekracht.
De Princeton-wetenschappers bestudeerden de effecten van de zwaartekracht op de SDSS-sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels gedurende lange perioden. Ze observeerden hoe deze fundamentele kracht sterrenstelsels ertoe aanzet om in grotere verzamelingen sterrenstelsels samen te komen en hoe het de uitdijing van het universum vormt.
Het is van cruciaal belang dat, omdat relativiteit vereist dat de kromming van de ruimte gelijk is aan de kromming van de tijd, de onderzoekers konden berekenen of licht door beide in gelijke hoeveelheden werd beïnvloed, zoals het zou moeten zijn als de algemene relativiteitstheorie geldt.
"Dit is de eerste keer dat deze test werd uitgevoerd, dus het is een proof of concept", zei Mandelbaum. 'Er staan de komende jaren nog andere astronomische onderzoeken op de planning. Nu we weten dat deze test werkt, zullen we hem kunnen gebruiken met betere gegevens die binnenkort beschikbaar zullen zijn om de zwaartekrachttheorie strakker te beperken. ”
Door de voorspellende krachten van GR te versterken, kunnen wetenschappers beter begrijpen of de huidige modellen van het universum zinvol zijn, aldus de wetenschappers.
"Elke test die we kunnen doen om ons vertrouwen op te bouwen in het toepassen van deze zeer mooie theoretische dingen, maar die niet op deze weegschaal zijn getest, is erg belangrijk", zei Gunn. 'Het helpt zeker als je ingewikkelde dingen probeert te doen om de basisprincipes te begrijpen. En dit is een heel, heel, heel fundamenteel iets. '
"Het leuke van naar de kosmologische schaal gaan, is dat we elke volledige, alternatieve zwaartekrachttheorie kunnen testen, omdat die de dingen die we waarnemen zou moeten voorspellen", zegt co-auteur Uros Seljak, een professor in de fysica en astronomie aan de UC Berkeley en een faculteitswetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Laboratory, die momenteel met verlof is bij het Institute of Theoretical Physics van de Universiteit van Zürich. "Die alternatieve theorieën die geen donkere materie vereisen, slagen niet in deze tests."
Bronnen: "Princeton-wetenschappers zeggen dat de theorie van Einstein verder gaat dan het zonnestelsel" (Princeton University), "Studie valideert algemene relativiteit op kosmische schaal, bestaan van donkere materie" (University of California Berkeley), "Bevestiging van algemene relativiteitstheorie op grote schaal van zwakke lensvorming en snelheden van sterrenstelsels ”(Nature, arXiv preprint)
