Een nieuwe ruimtetelescoop die is ontworpen om in enkele van de verste gebieden van het universum te kijken, zou eindelijk een van de meest raadselachtige vragen rond de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein kunnen beantwoorden.

De Euclidische missie, die in 2021 door het Europees Ruimteagentschap wordt gelanceerd, zal beelden vastleggen van miljarden verre sterrenstelsels om nieuwe inzichten te verschaffen in hoe de zwaartekracht in de diepten van de ruimte werkt.

Einsteins beroemde theorie, die hij in 1915 publiceerde, wordt algemeen beschouwd als de beste manier om zwaartekracht te verklaren. Het zegt in wezen dat massieve objecten ervoor zorgen dat het weefsel van ruimte en tijd kromt, waardoor andere objecten naar hen toe vallen.

Maar hoewel de algemene relativiteitstheorie consistent lijkt te zijn met hoe wetenschappers de zwaartekracht observeren in ons eigen zonnestelsel en melkwegstelsel, het begint er op grotere schaal minder overtuigend uit te zien.

Waarnemingen van verre supernova's suggereren dat ons universum versnelt terwijl het uitdijt, hoewel sommige wetenschappers dit betwisten. Om versnelde expansie te laten plaatsvinden onder de algemene relativiteitstheorie, moet het universum doordrongen zijn van een mysterieus, en tot nu toe onontdekt, 'donkere energie' die nodig is om het proces aan te sturen.

Hoewel veel natuurkundigen overtuigd zijn van het bestaan ​​van donkere energie, anderen zoeken naar alternatieve verklaringen.

'Algemene relativiteitstheorie is een zeer goede theorie om zwaartekracht te beschrijven, ' zei professor Kazuya Koyama, een kosmoloog aan de Universiteit van Portsmouth in het VK. 'Maar als we het toepassen op een grote, kosmologische schaal, we zien een aantal zeer vreemde dingen waarvoor we donkere energie nodig hebben om uit te leggen. Het probleem is dat we geen idee hebben wat donkere energie is.

'Als de algemene relativiteitstheorie wordt gewijzigd, we hebben misschien helemaal geen donkere energie nodig om uit te leggen wat er aan de hand is.'

Prof. Koyama leidt een project genaamd CostTesGrav, die observaties van verre sterrenstelsels gebruikt om nieuwe theorieën te ontwikkelen die de algemene relativiteitstheorie wijzigen, zodat het op grote schaal werkt. De gegevens die Euclid bij de lancering verzamelt, zijn van vitaal belang om hen hierbij te helpen.

20 sextiljoen mijl

De CosTesGrav-onderzoekers gebruiken waarnemingen van sterrenstelsels die tot 3,3 miljard lichtjaar (20 sextiljoen mijl) verwijderd zijn om te zoeken naar kleine vervormingen in hun vorm veroorzaakt door de zwaartekracht.

De algemene relativiteitstheorie stelt dat licht wordt gebogen door de zwaartekracht, wat betekent dat het een onderscheidende handtekening kan achterlaten in het licht dat wordt uitgestraald door verre astronomische objecten zoals sterrenstelsels.

Het CostTesGrav-team heeft al afbeeldingen van de Hubble-ruimtetelescoop gebruikt om naar enkele van deze vervormingen te zoeken en ontdekte dat de handtekening van de zwaartekracht consistent is met de algemene relativiteitstheorie.

Maar prof. Koyama is van mening dat grootschalige onderzoeken, zoals die van Euclid, hen in staat zouden kunnen stellen om vervormingen op te sporen die erop wijzen dat er mogelijk iets anders aan het werk is.

'We moeten het succes van de algemene relativiteitstheorie op kleine schaal verklaren, maar tegelijkertijd aanpassen op zeer grote schaal, ' zei prof. Koyama. 'Het is een uitdaging. We hebben twee benaderingen:de ene is om met theoretische modellen te komen en ultramoderne simulaties te gebruiken om ze te testen.

'De andere is om de waarnemingen te gebruiken en te zoeken naar de handtekeningen van een afwijking van de algemene relativiteitstheorie.'

Hij zegt dat het combineren van deze benaderingen de onderzoekers in staat zal stellen te profiteren van Euclid's zeer nauwkeurige kaarten van de verspreiding van sterrenstelsels en de algemene relativiteitstheorie op kosmologische schaal te testen.

Hun werk kon niet alleen een van de grootste raadsels over het universum oplossen, maar zou ook ons ​​begrip van onze plaats daarin radicaal kunnen herschrijven.

Extra afmetingen

Een toonaangevende alternatieve theorie voor donkere energie suggereert dat ruimte-tijd extra dimensies kan hebben die alleen op kosmologische schaal kunnen worden gedetecteerd.

'Dit is opwindend omdat we op zeer grote schaal iets heel anders kunnen vinden dan de gebruikelijke notie van ruimte-tijd, ' zei prof. Koyama. 'Maar op dit moment is ons huidige begrip van de algemene relativiteitstheorie veilig.'

Een wijziging van de algemene relativiteitstheorie, echter, zou hier op aarde belangrijke gevolgen kunnen hebben. De meesten van ons gebruiken de theorie elke dag wanneer we de aanwijzingen op onze mobiele telefoons of autonavigatiesystemen volgen.

'De nauwkeurigheid van GPS (het global positioning system) is verbazingwekkend, maar dat is alleen mogelijk door aanpassingen met de algemene relativiteitstheorie, ' legde prof Koyama uit. 'We weten niet hoe belangrijk eventuele ontdekkingen die we in de toekomst zullen doen voor toekomstige technologische ontwikkeling zullen zijn.'

De door Euclid verzamelde gegevens zullen ook van vitaal belang zijn voor wetenschappers die aan een ander project werken dat niet alleen de algemene relativiteitstheorie wil testen, maar maar werpen ook licht op enkele van de beginvoorwaarden die hebben geleid tot de huidige structuur van het universum.

Het GrInflaGal-project maakt gebruik van observaties van massieve clusters van sterrenstelsels - enorme, dichte structuren met elkaar verbonden door zwaartekracht in de ruimte gevormd door miljoenen sterrenstelsels - om de verdeling van materie in het universum en de effecten van zwaartekracht te onderzoeken.

'We willen clustering van sterrenstelsels op grote schaal modelleren, maar om dit te doen, moeten we weten hoe deze sterrenstelsels zich gedragen, ' zei dr. Fabian Schmidt, een kosmoloog aan het Max Planck Instituut voor Astrofysica in Garching, Duitsland, die het GrInflaGal-project leidt.

Door te meten hoe andere objecten rond clusters van sterrenstelsels zich gedragen - zoals kijken naar verschillen in snelheid ten opzichte van hun massa - denken de onderzoekers de zwaartekracht van deze enorme structuren te kunnen meten en zo te testen of ze zich houden aan de algemene relativiteitstheorie.

Klomp

Dit zou dan kunnen worden gebruikt om te helpen ontrafelen hoe het universum veranderde van een heet, uniforme klomp van dichte materie tot een waar sterrenstelsels zijn verspreid in clusters die we tegenwoordig zien.

'Het doel is om een ​​bijna optimale manier te hebben om de zwaartekracht te testen uit aankomende onderzoeken zoals Euclid, ' zei dr. Schmidt. 'We hebben geen idee hoe de inflatie in het vroege heelal is ontstaan, maar onderzoeken zoals Euclid zouden de beperkingen die we gebruiken kunnen verbeteren.

'Zwaartekracht is zo'n fundamenteel onderdeel van ons fysieke begrip van het universum, en de kosmologie geeft ons de kans om het op een veel grotere schaal dan ooit tevoren te onderzoeken.'