Tudo no universo tem gravidade — e também a sente. No entanto, é também essa força fundamental mais comum que apresenta os maiores desafios para os físicos.

A teoria geral da relatividade de Albert Einstein Foi notavelmente bem-sucedido em descrever a atração gravitacional de estrelas e planetas, mas não parece ser bem verdade em todas as escalas.

relatividade geral Passou muitos anos de testes de observação, desde Medição de Eddington Da difração da luz das estrelas do sol em 1919 para Detecção moderna de ondas gravitacionais.

No entanto, lacunas em nosso entendimento começam a aparecer quando tentamos aplicá-lo em distâncias muito pequenas, e onde As leis da mecânica quântica funcionamou quando tentamos descrever todo o universo.

Nosso novo estudo, Postado em astronomia naturalEle agora testou a teoria de Einstein nas maiores escalas.

Acreditamos que nossa abordagem pode um dia ajudar a resolver alguns dos maiores mistérios da cosmologia, e os resultados sugerem que a relatividade geral pode precisar ser modificada nessa escala.

modelo com defeito?

A teoria quântica prevê que o espaço vazio, o vazio, está cheio de energia. Não notamos a presença deles porque nossos dispositivos só podem medir mudanças na energia, e não na quantidade total.

No entanto, de acordo com Einstein, a energia do vácuo tem uma atração repulsiva – ela afasta o espaço vazio. Curiosamente, em 1998, descobriu-se que a expansão do universo está de fato acelerando (uma descoberta que foi concedida com Prêmio Nobel de Física 2011).

No entanto, a quantidade de energia de vácuo, ou energia escura Como foi chamado, é necessário explicar que a aceleração é muitas ordens de magnitude menor do que o que a teoria quântica prevê.

Daí a grande questão, apelidada de “Antigo Problema da Constante Cosmológica”, é se a energia do vácuo é realmente atraída – dando origem à força da gravidade e alterando a expansão do universo.

Se sim, por que sua atração é muito mais fraca do que o esperado? Se o vácuo não é atraído, o que causa a aceleração cósmica?

Não sabemos o que é energia escura, mas precisamos postular sua existência para explicar a expansão do universo.

Da mesma forma, também precisamos supor que existe algum tipo de existência de matéria invisível apelidada de matéria escuraPara explicar como as galáxias e aglomerados evoluíram para ser a forma como os observamos hoje.

Essas suposições foram incorporadas à teoria cosmológica padrão dos cientistas, chamada Cold Dark Matter Lambda Model (LCDM) – que sugere que há 70% da energia escura, 25% da matéria escura e 5% da matéria comum no universo. Esse modelo foi notavelmente bem-sucedido em ajustar todos os dados que os cosmólogos coletaram nos últimos 20 anos.

Mas o fato de que a maior parte do universo consiste em forças e matéria escura, que assumem valores estranhos e sem sentido, levou muitos físicos a se perguntarem se a teoria da gravidade de Einstein precisa ser modificada para descrever todo o universo.

Um novo desenvolvimento surgiu há alguns anos, quando se tornou aparente que diferentes maneiras de medir a taxa de expansão cósmica, chamadas de Constante de Hubbledão respostas diferentes – um problema conhecido como Tensão do Hubble.

Desacordo ou tensão entre dois valores da constante de Hubble.

O primeiro é o número previsto pelo modelo cosmológico LCDM, que foi desenvolvido para corresponder A luz deixada pelo Big Bang (O fundo cósmico de microondas radiação).

A outra é a taxa de expansão, que é medida pela observação de supernovas em galáxias distantes.

Várias idéias teóricas para métodos de modulação LCDM foram propostas para explicar a tensão de Hubble. Entre eles estão as teorias alternativas da gravidade.

Procurando por respostas

Podemos projetar testes para verificar se o universo obedece às regras da teoria de Einstein.

A relatividade geral descreve a gravidade como a curvatura ou deflexão do espaço e do tempo, que dobra os caminhos ao longo dos quais a luz e a matéria viajam. É importante ressaltar que ele prevê que os caminhos dos raios de luz e de matéria devem ser dobrados pela gravidade da mesma maneira.

Juntamente com uma equipe de cosmólogos, testamos as leis fundamentais da relatividade geral. Também exploramos se a modificação da teoria de Einstein poderia ajudar a resolver alguns problemas em aberto na cosmologia, como a tensão de Hubble.

Para descobrir se a relatividade geral é verdadeira em grandes escalas, nos propusemos, pela primeira vez, a investigar três aspectos dela simultaneamente. Estes eram a expansão do universo, os efeitos da gravidade na luz e os efeitos da gravidade na matéria.

Usando um método estatístico conhecido como inferência Bayesiana, reconstruímos a gravidade do universo através da história cósmica em um modelo de computador baseado nesses três parâmetros.

Podemos estimar parâmetros usando dados cósmicos de fundo de microondas do satélite Planck, catálogos de supernovas, bem como observações de formas e distribuição de galáxias distantes por SDSS E a DE telescópios.

Em seguida, comparamos nossa reconstrução com a previsão com o modelo LCDM (essencialmente o modelo de Einstein).

Encontramos dicas interessantes sobre uma possível incompatibilidade com as previsões de Einstein, embora com significância estatística bastante baixa.

Isso significa que ainda existe a possibilidade de que a gravidade funcione de maneira diferente em grandes escalas, e que a relatividade geral pode precisar ser modificada.

Nosso estudo também descobriu que é muito difícil resolver o problema da tensão de Hubble apenas mudando a teoria da gravidade.

Talvez uma solução completa exigisse um novo componente do modelo cosmológico, que existia antes da época em que prótons e elétrons se combinaram pela primeira vez para formar hidrogênio após a grande explosãocomo uma forma especial de matéria escura, um tipo primitivo de energia escura ou campos magnéticos primordiais.

Ou talvez haja um erro sistemático desconhecido nos dados.

No entanto, nosso estudo demonstrou que é possível testar a validade da relatividade geral em distâncias cósmicas usando dados observacionais. Embora ainda não tenhamos resolvido o problema do Hubble, teremos muitos dados das novas sondas em alguns anos.

Isso significa que poderemos usar esses métodos estatísticos para modificar ainda mais a relatividade geral e explorar os limites das modificações, para preparar o caminho para resolver alguns dos desafios abertos na cosmologia.

Kazuya Koyamaprofessor de cosmologia, Universidade de Portsmouth E a Levon Bogosianprofessor de física, Universidade Simon Fraser

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