Zou een van de grootste puzzels in de astrofysica kunnen worden opgelost door de zwaartekrachttheorie van Albert Einstein te herwerken? Een nieuwe studie, mede-auteur van NASA-wetenschappers, zegt nog niet.

Het heelal breidt zich steeds sneller uit en wetenschappers weten niet waarom. Dit fenomeen lijkt in tegenspraak met alles wat onderzoekers begrijpen over het effect van de zwaartekracht op de kosmos:het is alsof je een appel in de lucht gooit en het ging steeds sneller omhoog. De oorzaak van de versnelling, donkere energie genaamd, blijft een mysterie.

Een nieuwe studie van de internationale Dark Energy Survey, met behulp van de Victor M. Blanco 4-meter Telescope in Chili, markeert de laatste poging om te bepalen of dit allemaal gewoon een misverstand is:die verwachtingen over hoe zwaartekracht werkt op de schaal van het hele universum gebrekkig of onvolledig zijn. Dit potentiële misverstand kan wetenschappers helpen donkere energie te verklaren. Maar de studie - een van de meest nauwkeurige tests tot nu toe van Albert Einsteins theorie van zwaartekracht op kosmische schalen - vindt dat het huidige begrip nog steeds correct lijkt te zijn.

De resultaten, geschreven door een groep wetenschappers waaronder enkele van NASA's Jet Propulsion Laboratory, werden woensdag 23 augustus gepresenteerd tijdens de International Conference on Particle Physics and Cosmology (COSMO'22) in Rio de Janeiro. Het werk helpt de weg vrij te maken voor twee toekomstige ruimtetelescopen die ons begrip van de zwaartekracht nog nauwkeuriger zullen onderzoeken dan de nieuwe studie en misschien eindelijk het mysterie zullen oplossen.

Meer dan een eeuw geleden ontwikkelde Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie om de zwaartekracht te beschrijven, en tot nu toe heeft het alles nauwkeurig voorspeld, van de baan van Mercurius tot het bestaan ​​van zwarte gaten. Maar als deze theorie donkere energie niet kan verklaren, hebben sommige wetenschappers betoogd, dan moeten ze misschien enkele van zijn vergelijkingen aanpassen of nieuwe componenten toevoegen.

Om erachter te komen of dat het geval is, zochten leden van de Dark Energy Survey naar bewijs dat de kracht van de zwaartekracht in de geschiedenis van het universum of over kosmische afstanden is veranderd. Een positieve bevinding zou erop wijzen dat de theorie van Einstein onvolledig is, wat de versnelde uitdijing van het universum zou kunnen verklaren. Ze onderzochten ook gegevens van andere telescopen dan Blanco, waaronder de Planck-satelliet van ESA (European Space Agency) en kwamen tot dezelfde conclusie.

Uit de studie blijkt dat de theorie van Einstein nog steeds werkt. Dus nog geen verklaring voor donkere energie. Maar dit onderzoek zal bijdragen aan twee aankomende missies:ESA's Euclid-missie, gepland voor lancering niet eerder dan 2023, met bijdragen van NASA; en NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope, bedoeld voor lancering uiterlijk in mei 2027. Beide telescopen zullen zoeken naar veranderingen in de sterkte van de zwaartekracht in de tijd of op afstand.

Wazig zicht

Hoe weten wetenschappers wat er in het verleden van het universum is gebeurd? Door naar verre objecten te kijken. Een lichtjaar is een maat voor de afstand die het licht in een jaar kan afleggen (ongeveer 6 biljoen mijl, of ongeveer 9,5 biljoen kilometer). Dat betekent dat een object op één lichtjaar afstand voor ons verschijnt zoals het een jaar geleden was, toen het licht het object voor het eerst verliet. En sterrenstelsels op miljarden lichtjaren afstand zien er voor ons net zo uit als miljarden jaren geleden. De nieuwe studie keek naar sterrenstelsels die ongeveer 5 miljard jaar teruggaan in het verleden. Euclid zal 8 miljard jaar in het verleden turen, en Roman zal 11 miljard jaar terugkijken.

De sterrenstelsels zelf onthullen niet de kracht van de zwaartekracht, maar hoe ze er vanaf de aarde uitzien wel. De meeste materie in ons universum is donkere materie, die geen licht uitstraalt, reflecteert of op een andere manier met licht in wisselwerking staat. Hoewel wetenschappers niet weten waar het van gemaakt is, weten ze dat het er is, omdat de zwaartekracht het verraadt:grote reservoirs van donkere materie in ons universum vervormen de ruimte zelf. Terwijl licht door de ruimte reist, ontmoet het deze delen van de vervormde ruimte, waardoor beelden van verre sterrenstelsels gekromd of uitgesmeerd lijken. Dit was te zien op een van de eerste afbeeldingen die zijn vrijgegeven door NASA's James Webb Space Telescope.

Wetenschappers van Dark Energy Survey zoeken naar afbeeldingen van sterrenstelsels op subtielere vervormingen als gevolg van de buiging van donkere materie in de ruimte, een effect dat zwakke zwaartekrachtlens wordt genoemd. De sterkte van de zwaartekracht bepaalt de grootte en verdeling van donkere materiestructuren, en de grootte en verdeling bepalen op hun beurt hoe kromgetrokken die sterrenstelsels voor ons lijken. Op die manier kunnen afbeeldingen de kracht van de zwaartekracht op verschillende afstanden van de aarde en verre tijden in de geschiedenis van het universum onthullen. De groep heeft nu de vormen van meer dan 100 miljoen sterrenstelsels gemeten en tot nu toe komen de waarnemingen overeen met wat wordt voorspeld door de theorie van Einstein.

"Er is nog steeds ruimte om de zwaartekrachttheorie van Einstein uit te dagen, aangezien metingen steeds nauwkeuriger worden", zei co-auteur Agnès Ferté, die het onderzoek uitvoerde als postdoctoraal onderzoeker bij JPL. "Maar we hebben nog zoveel te doen voordat we klaar zijn voor Euclid en Roman. Het is dus essentieel dat we blijven samenwerken met wetenschappers over de hele wereld aan dit probleem, zoals we hebben gedaan met de Dark Energy Survey." + Verder verkennen

NASA's Romeinse missie zal concurrerende theorieën over kosmische versnelling testen