სამყაროში ყველაფერს აქვს გრავიტაცია და ყველაფერი გრძნობს გრავიტაციას. და მაინც, ფუნდამენტური ძალებიდან ყველაზე გავრცელებული გრავიტაცია ყველაზე დიდ გამოწვევებს უქმნის ფიზიკოსებს.

ალბერტ აინშტაინის ფარდობითობის ზოგადი თეორია წარმატებით ხსნის ვარსკვლავებისა და პლანეტების გრავიტაციას, მაგრამ, როგორც ჩანს, ის სრულყოფილად არ გამოიყენება ყველა მასშტაბზე.

ფარდობითობის ზოგადმა თეორიამ ჩააბარა უამრავი დაკვირვებადი ტესტი, დაწყებული 1919 წელს მზის ვარსკვლავური შუქის გადახრის გაზომვით ედინგტონის მიერ, და დამთავრებული გრავიტაციული ტალღების ბოლოდროინდელი აღმოჩენით.

თუმცა, ჩვენს ცოდნაში ხარვეზები ჩნდება, როდესაც ვცდილობთ გამოვიყენოთ იგი უკიდურესად მცირე დისტანციებზე, სადაც მოქმედებს კვანტური მექანიკის კანონები, ან როდესაც ვცდილობთ აღვწეროთ მთელი სამყარო.

ახალმა კვლევამ, რომელიც გამოქვეყნდა Nature Astronomy-ში, გამოცადა აინშტაინის თეორია უდიდეს მასშტაბებზე.

გაუმართავი მოდელი?

კვანტური თეორია პროგნოზირებს, რომ ცარიელი სივრცე, ვაკუუმი, სავსეა ენერგიით. ჩვენ ვერ ვამჩნევთ მის არსებობას, რადგან ჩვენს მოწყობილობებს შეუძლიათ გაზომონ მხოლოდ ენერგიის ცვლილებები და არა მისი მთლიანი რაოდენობა.

თუმცა, აინშტაინის აზრით, ვაკუუმის ენერგიას აქვს განმზიდი გრავიტაცია — ის ცარიელ სივრცეს ერთმანეთს აშორებს. 1998 წელს აღმოაჩინეს, რომ სამყარო აჩქარებით ფართოვდება (ამ აღმოჩენას 2011 წელს ნობელის პრემია მიენიჭა ფიზიკაში). თუმცა, ვაკუუმური ენერგიის (იგივე ბნელი ენერგიის) რაოდენობა, რომელიც აუცილებელია აჩქარების ასახსნელად, კვანტური თეორიის პროგნოზირებულზე ბევრად უფრო მცირეა.

აქედან გამომდინარე, მთავარი კითხვა (იგივე "ძველი კოსმოლოგიური მუდმივი პრობლემა") ის არის, რეალურად გრავიტირებს თუ არა ვაკუუმური ენერგია — აღძრავს თუ არა ის გრავიტაციულ ძალას და ცვლის სამყაროს გაფართოებას.

თუკი ასეა, მაშინ რატომ არის მისი გრავიტაცია იმაზე სუსტი, ვიდრე პროგნოზირებდნენ? და თუკი ვაკუუმი საერთოდ არ გრავიტირებს, მაშინ რა იწვევს კოსმოსურ აჩქარებას?

ჩვენ არ ვიცით რა არის ბნელი ენერგია, მაგრამ უნდა ვივარაუდოთ, რომ ის არსებობს, რათა ავხსნათ სამყაროს გაფართოება. ანალოგიურად, ასევე უნდა დავუშვათ, რომ არსებობს უხილავი მატერიის არსებობის ტიპი (იგივე ბნელი მატერია), რათა ავხსნათ, თუ როგორ განვითარდნენ გალაქტიკები და მათი გროვები იმგვარად, როგორადაც ჩვენ დღეს ვაკვირდებით.

ეს ვარაუდები ჩადებულია მეცნიერთა სტანდარტულ კოსმოლოგიურ თეორიაში (იგივე ლამბდა-ცივი ბნელი მატერიის (LCDM) მოდელი), რომლის მიხედვითაც, კოსმოსში არის 70% ბნელი ენერგია, 25% ბნელი მატერია და 5% — ჩვეულებრივი მატერია. აღსანიშნავია, რომ ეს მოდელი წარმატებული იყო კოსმოლოგების მიერ ბოლო 20 წლის განმავლობაში შეგროვებული ყველა მონაცემის მორგებაში. თუმცა იმ ფაქტმა, რომ სამყაროს უდიდესი ნაწილი შედგება ბნელი ენერგიისა და მატერიისგან, ბევრი ფიზიკოსი დააფიქრა აინშტაინის გრავიტაციის თეორიის გადახედვის საკითხზე.

ახალი საკითხი გამოჩნდა რამდენიმე წლის წინ, როდესაც გაირკვა, რომ კოსმოსური გაფართოების სიჩქარის გაზომვის სხვადასხვა ხერხი, რომელსაც ჰაბლის მუდმივა ეწოდება, სხვადასხვა პასუხს იძლევა — ეს პრობლემა ცნობილია როგორც ჰაბლის დაძაბულობა. უთანხმოება, ანუ დაძაბულობა იქმნება ჰაბლის მუდმივას ორ მნიშვნელობას შორის.

ასევე იხილეთ: ჩვენი ცოდნა კოსმოსზე რევოლუციურად შეიცვლება — სამყარო, შესაძლოა, ისე არ ფართოვდება, როგორც გვეგონა

ერთი არის LCDM კოსმოლოგიური მოდელის მიერ პროგნოზირებული რიცხვი, რომელიც შემუშავებულია დიდი აფეთქების შედეგად დარჩენილი სინათლის შესატყვისად (კოსმოსური მიკროტალღური ფონის გამოსხივება). მეორე კი არის გაფართოების სიჩქარე, რომელიც იზომება შორეულ გალაქტიკებში აფეთქებულ ვარსკვლავებზე დაკვირვებით, რომლებიც ცნობილია როგორც სუპერნოვები.

ასევე იხილეთ: სამყაროს პირველი ქმნილებები: მეცნიერებმა პირველი ვარსკვლავების შესახებ მტკიცებულებას მიაგნეს

მეცნიერებმა მრავალი თეორიული იდეა — მათ შორის, ალტერნატიული გრავიტაციის თეორიები — შეიმუშავეს LCDM-ის მოდიფიკაციის გზებისთვის ჰაბლის დაძაბულობის ასახსნელად.

პასუხების ძიებაში

მეცნიერებს შეუძლიათ შექმნან ტესტები, რათა შეამოწმონ, ემორჩილება თუ არა სამყარო აინშტაინის თეორიის წესებს.

ფარდობითობის ზოგადი თეორია აღწერს გრავიტაციას, როგორც სივრცისა და დროის გამრუდებას, რაც ახვევს ბილიკებს, რომლებზეც მოგზაურობს სინათლე და მატერია. ის პროგნოზირებს, რომ სინათლის სხივებისა და მატერიის ტრაექტორიები გრავიტაციით უნდა იყოს დახვეული იმავე გზით.

კოსმოლოგთა გუნდთან ერთად მკვლევრებმა გამოცადეს ფარდობითობის ზოგადი თეორიის ძირითადი კანონები. მათ ასევე გამოიკვლიეს, შეიძლება თუ არა აინშტაინის თეორიის მოდიფიცირება კოსმოლოგიის ზოგიერთი ღია პრობლემის — მაგალითად, ჰაბლის დაძაბულობის — გადასაჭრელად.

იმის გასარკვევად, არის თუ არა სწორი ფარდობითობის ზოგადი თეორია ფართო მასშტაბებში, მათ, პირველ რიგში, ერთდროულად გამოიკვლიეს ზემოხსენებული თეორიის სამი ასპექტი: სამყაროს გაფართოება, გრავიტაციის ეფექტი სინათლეზე და გრავიტაციის ზემოქმედება მატერიაზე.

ბაიესის დასკვნის სახელით ცნობილი სტატისტიკური მეთოდის გამოყენებით, მათ კოსმოსური ისტორიის მეშვეობით აღადგინეს სამყაროს გრავიტაცია კომპიუტერულ მოდელში, რომელიც დაფუძნებულია ამ სამ პარამეტრზე. მათ შეძლეს პარამეტრების შეფასება პლანკის თანამგზავრის კოსმოსური მიკროტალღური ფონის მონაცემების, სუპერნოვას კატალოგებისა და ასევე SDSS და DES ტელესკოპების მიერ შორეული გალაქტიკების ფორმებსა და განაწილებაზე დაკვირვებებით. შემდეგ მათ შეადარეს თავიანთი რეკონსტრუქცია LCDM მოდელის პროგნოზს. მკვლევრებმა აღმოაჩინეს საინტერესო მინიშნებები აინშტაინის პროგნოზთან შესაძლო შეუსაბამობის შესახებ, თუმცა საკმაოდ დაბალი სტატისტიკური მნიშვნელობით.

ეს ნიშნავს, რომ არსებობს შესაძლებლობა, რომ გრავიტაცია განსხვავებულად მუშაობდეს დიდ მასშტაბებზე და შეიძლება საჭირო გახდეს ფარდობითობის ზოგადი თეორიის შესწორება.

კვლევამ ასევე დაადგინა, რომ ძალიან რთულია ჰაბლის დაძაბულობის პრობლემის გადაჭრა მხოლოდ გრავიტაციის თეორიის შეცვლით.

სრული გამოსავალი, ალბათ, საჭიროებს ახალი "ინგრედიენტის" — ბნელი მატერიის სპეციალური ფორმის, ბნელი ენერგიის ადრეული ტიპის ან პირველყოფილი მაგნიტური ველების — დამატებას კოსმოლოგიურ მოდელში, რომელიც წარმოდგენილია იმ დრომდე, როდესაც ზუსტად დიდი აფეთქების შემდეგ პროტონები და ელექტრონები პირველად გაერთიანდა წყალბადის შესაქმნელად. ან, შესაძლოა, მონაცემებში ჯერ კიდევ უცნობი სისტემური შეცდომაა გაპარული.

ამასთან, კვლევამ აჩვენა, რომ შესაძლებელია ფარდობითობის ზოგადი თეორიის სისწორის შემოწმება კოსმოლოგიურ დისტანციებზე დაკვირვების მონაცემების გამოყენებით. მიუხედავად იმისა, რომ ჰაბლის პრობლემა ჯერ არ გადაჭრილა, მკვლევრებს რამდენიმე წელიწადში უფრო მეტი მონაცემები ექნებათ ახალი ნიმუშებიდან, რაც იმას ნიშნავს, რომ მეცნიერები შეძლებენ, გამოიყენონ ეს სტატისტიკური მეთოდები ფარდობითობის ზოგადი თეორიის შესწორების გასაგრძელებლად, მოდიფიკაციების საზღვრების შესასწავლად და კოსმოლოგიაში არსებული ზოგიერთი ღია გამოწვევის გადასაჭრელად.