Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt het bestaan ​​van donkere energie - een mysterieuze vorm van energie die de ruimte doordringt en de uitdijing van het heelal versnelt. Maar wat als Einstein het bij het verkeerde eind had en donkere energie niet bestond? Het GalaxyDance-project heeft dit scenario onderzocht.

Zo nauwkeurig als het tot nu toe is gebleken, de algemene relativiteitstheorie is niet de enige theorie die gravitatie kan verklaren. In feite, er zijn verschillende alternatieve theorieën die er zijn. Wetenschappers weten gewoon niet hoe deze observatie en simulaties kunnen weerstaan.

Om deze kloof te dichten, het GalaxyDance-project, uitgevoerd met de steun van het Marie Skłodowska-Curie-programma, gebruikt informatie die is gecodeerd in eigenaardige snelheidsstatistieken van sterrenstelsels in het lokale heelal, evenals waargenomen roodverschuivingsruimtevervormingen (RSD) van verre sterrenstelsels.

Dr. Wojciech Hellwing, coördinator van het project en onderzoeker bij het Centrum voor Theoretische Fysica van de Poolse Academie van Wetenschappen, bespreekt de bevindingen van het project tot nu toe.

Wat maakt de uitdijing van het heelal zo moeilijk te bevatten?

Naarmate we dieper en verder gaan in onze waarnemingen van het heelal, we zijn nog steeds verbaasd over enkele van zijn eigenschappen. Een daarvan is de versnelde expansie van de ruimte-tijd, die momenteel wordt toegeschreven aan donkere energie. Maar de waarheid is, we hoeven alleen donkere energie in overweging te nemen als Einsteins zwaartekrachttheorie geldig is op alle schaalniveaus van de kosmos.

Er zijn andere mogelijke verklaringen voor de versnelde expansie waarvoor geen donkere energie nodig is. Deze theorieën gaan verder dan de algemene relativiteitstheorie en worden gewoonlijk 'gemodificeerde zwaartekracht' genoemd. Het testen van de algemene relativiteitstheorie en deze alternatieven op intergalactische schaal is een dringende en belangrijke kwestie voor de moderne extragalactische astronomie, en dat was het doel van GalaxyDance.

Kun je iets meer vertellen over je aanpak?

GalaxyDance introduceert een nieuwe benadering die bestaat uit het gebruik van lage-ordestatistieken van melkwegsnelheden en clustering om Einsteins zwaartekrachttheorie en zijn tegenhangers te testen. Deze test omvat intergalactische schalen, een regime waarin de theorie van de zwaartekracht tot nu toe niet rigoureus is getest. Ik heb aangetoond dat deze aanpak verschillende unieke voordelen heeft:het is zwaartekrachtmodelonafhankelijk, vrij van significante vooroordelen van sterrenstelsels en grotendeels onaangetast door baryonische fysica.

Ik heb ultramoderne computersimulaties gebruikt die een virtueel universum in een supercomputer nabootsen. Door deze simulaties uit te voeren en te analyseren, we kunnen voorbij-GR-theorieën testen en veelbelovende resultaten schetsen.

Wat maakt deze aanpak bijzonder innovatief?

Het gebruik van grote supercomputersimulaties was voorheen onmogelijk in Beyond-GR-modellen, vanwege hun complexiteit en numerieke duur. Om dit probleem te verminderen, we hebben besloten om een ​​versnellingsalgoritme te gebruiken dat - ten koste van enige nauwkeurigheid - de evolutie van het heelal veel efficiënter kan modelleren.

Ik heb met succes aangetoond dat in het geval van kosmische snelheden, een dergelijke benadering is voldoende om robuuste resultaten te verkrijgen.

Wat zijn de belangrijkste resultaten van het project?

Ongetwijfeld, de nieuwe reeks grote, state-of-the-art simulaties van alternatieve theorieën die ongekende studies van kosmische snelheidsvelden mogelijk zullen maken.

We hebben al aangetoond dat lage-ordestatistieken van het snelheidsveld van sterrenstelsels een sterk signaal van gewijzigde zwaartekracht zouden moeten bevatten. Echter, dat hebben we ook laten zien, om dit signaal te meten en te extraheren, toegewijde en grondige modellering van de impact van onze nabijgelegen kosmische structuren, zoals de Maagd-melkwegcluster, zal van het grootste belang zijn voor het succes van onze methode.

Wat hoop je nog te bereiken voor het einde van het project?

We zullen aanvullende modellering implementeren van de processen die de kleuren van sterrenstelsels bepalen, helderheid en vormen. Dit zal het creëren van kunstmatige melkwegcatalogi mogelijk maken die laten zien wat er zou zijn gecreëerd in een heelal dat wordt geregeerd door alternatieven voor Einsteins zwaartekrachttheorie.

Vanaf daar, we zullen onze resultaten vergelijken met de bestaande en toekomstige astronomische waarnemingen om nieuwe, strenge tests van de zwaartekracht op de grootste schalen te bieden.

Wat is de feedback van de wetenschappelijke gemeenschap tot nu toe?

Veel collega's toonden interesse en zelfs enthousiasme over onze resultaten toen we ze presenteerden op internationale kosmologische conferenties. Verder, we zijn nieuwe samenwerkingen aangegaan met collega's die complementaire expertise hebben in het observeren van sterrenstelsels (uit Lyon in Frankrijk) en in het modelleren van nabijgelegen kosmische structuren (collega's uit Potsdam in Duitsland). Wij zijn hier erg enthousiast over.

Wat hoop je dat het langetermijneffect van het project zal zijn? Hoe bereidt het de wetenschappelijke gemeenschap voor op het tijdperk van grote kosmologische gegevens?

GalaxyDance zal een nieuwe manier bieden om kosmologische tests van zwaartekrachttheorieën te realiseren. De eindresultaten, welke theorie (donkere energie of gewijzigde zwaartekracht) ze ook prefereren, zal verstrekkende en baanbrekende gevolgen hebben voor ons begrip van het heelal op de grootste schalen.

Als onze tests uiteindelijk een handtekening van nieuwe fysica voorzien in voorbij-GR-theorieën, het zal onze huidige kijk op en begrip van de grootschalige evolutie van de kosmos doen wankelen. Indien, anderzijds, ons onderzoek versterkt de algemene relativiteitstheorie, het zal betekenen dat we harder moeten zoeken om het mysterie van donkere energie te verklaren.