Un „zid” gigant de galaxii a fost găsit întinzându-se pe tot Universul
Matematica concepută de Albert Einstein pentru a descrie funcționarea gravitațională a Universului fizic la începutul secolului al XX-lea este încă puternică.
Într-unul dintre cele mai mari teste de relativitate generală de până acum, o echipă imensă de astronomi a cartografiat distribuția a aproape 6 milioane de galaxii de-a lungul a 11 miliarde de ani din istoria Universului.
Modul în care gravitația strânge aceste galaxii împreună de-a lungul unor fire ale rețelei cosmice împotriva atracției exterioare a expansiunii Universului și modul în care această rețea evoluează în timp, este exact în concordanță cu predicțiile făcute de celebra teorie a lui Einstein.
Este, probabil, cel mai mare test de relativitate generală până în prezent, care acoperă cea mai mare parte a istoriei de 13,8 miliarde de ani a Universului – ceea ce înseamnă că teoria se menține atât la scara cea mai mare, cât și la cea mai mică.
Constatările au fost trimise spre publicare și sunt disponibile în trei noi preprinturi încărcate pe arXiv înainte de evaluarea inter pares.
„Relativitatea generală a fost testată foarte bine la scara sistemelor solare, dar trebuia să testăm și că ipoteza noastră funcționează la scari mult mai mari”, spune cosmologul Pauline Zarrouk de la Centrul Național de Cercetare Științifică din Franța.
„Studiul ratei cu care s-au format galaxiile ne permite să ne testăm direct teoriile și, până acum, ne aliniem la ceea ce prezice relativitatea generală la scară cosmologică”.
Gravitația este fundamentală pentru modul în care funcționează Universul. Nu știm ce este sau de ce este, doar că obiectele cu masă tind să atragă alte obiecte cu masă; că puterea atracției este direct proporțională cu masa; și că modifică geometria spațiului-timp în jurul unei mase.
De asemenea, se comportă ca un lipici care atrage Universul împreună. Filamente mari de câmpuri gravitaționale generate de materia întunecată acoperă întregul Univers într-un fel de rețea; iar cea mai mare parte a materiei din Univers este distribuită de-a lungul șuvițelor și nodurilor acestei rețele cosmice.
Este previzibil și măsurabil și, până acum, extrem de bine constrâns și definit de teoria relativității generale. Dar găsirea unor defecte în teorie ar putea dezvălui soluții la unele probleme remarcabil de spinoase, cum ar fi diferențele ireconciliabile dintre mecanica cuantică și fizica clasică. Așa că oamenii de știință continuă să-l caute pentru a vedea dacă conținutul Universului arată exact așa cum spune relativitatea generală că ar trebui, la toate scalele.
Acest lucru ne aduce la Instrumentul spectroscopic de energie întunecată (DESI) condus de Laboratorul Național Lawrence Berkeley, o colaborare internațională uriașă care lucrează în prezent la cartografierea Universului observabil pentru a dezvălui cele mai mari secrete ale acestuia. Este operațional din 2019; noile rezultate se bazează pe o analiză detaliată și extinsă doar a primului an de date obținute de instrument.
Colaborarea DESI a folosit aceste date pentru a efectua o cercetare minuțioasă a 5,7 milioane de galaxii și quasari de-a lungul istoriei Universului, cartografiind creșterea, evoluția și distribuția acestora de-a lungul rețelei cosmice din Universul timpuriu acum 11 miliarde de ani.
Această simulare arată modul în care reglarea gravitației modifică distribuția galaxiilor în Univers. (Colaborare Claire Lamman și Michael Rashkovetskyi/DESI)
Ei au folosit teoria relativității generale pentru a prezice creșterea și distribuția rețelei cosmice și au descoperit că Universul în care trăim s-a comportat așa cum spune relativitatea că ar trebui, la o scară cosmică epică. Adăugați mai multă gravitație sau luați puțin, iar Universul nu ar mai arăta la fel.
Rezultatul urmează unei lucrări de la începutul acestui an care a măsurat rata de expansiune a Universului pe baza relicvelor cosmice ale undelor acustice care au înghețat când ceața atomică care a umplut Universul timpuriu s-a curățat. Colaborarea DESI speră că eforturile continue vor continua să arunce lumină asupra evoluției Universului și, la rândul lor, asupra forțelor misterioase care îl conduc.
„Este prima dată când DESI se uită la creșterea structurii cosmice”, spune fizicianul Dragan Huterer de la Universitatea din Michigan. „Arătăm o nouă capacitate extraordinară de a sonda gravitația modificată și de a îmbunătăți constrângerile asupra modelelor de energie întunecată. Și este doar vârful aisbergului”.
DESI se află la Telescopul Mayall din Arizona, văzut aici în timpul ploaielor Geminide din 2023. (KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Sparks)
Rezultatele au impus, de asemenea, constrângeri asupra limitei superioare a masei neutrinului, o particulă atât de „fantomatică” încât nu am reușit să o cântărim cu precizie.
Sondajul este încă în desfășurare, la fel ca și activitatea Colaborarii. Cercetătorii analizează în prezent datele din primii trei ani de funcționare a DESI. Până când instrumentul își va finaliza activitatea, va fi colectat date despre peste 40 de milioane de galaxii și quasari.
Printre cele mai aprinse speranțe este că va ajuta la dezvăluirea naturii materiei întunecate, a misteriosului invizibil ceva responsabil pentru generarea de gravitație suplimentară în Univers; și energie întunecată, invizibilul misterios ceva responsabil pentru conducerea expansiunii cu accelerare variabilă a Universului.
„Materia întunecată reprezintă aproximativ un sfert din Univers, iar energia întunecată reprezintă încă 70 la sută și nu știm cu adevărat ce este una dintre ele”, spune fizicianul Mark Maus de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley și de la Universitatea din California Berkeley.
„Ideea că putem face fotografii ale Universului și să abordăm aceste mari întrebări fundamentale este uimitoare.”
Lucrările echipei sunt acum disponibile pe serverul de preprint arXiv.