Искажение времени помогает отличить гравитацию от темной силы
Создав свою теорию общей теории относительности в 1915 году, Альберт Эйнштейн произвел революцию в том, как мы думаем о нашей Вселенной. Вместо того, чтобы космос просто предоставлял место планетам и звездам для вращения друг вокруг друга, пространство и время сами по себе теперь стали динамическими сущностями в одной постоянно развивающейся игре с материей и светом. Уравнения Эйнштейна описывали, как звезды, галактики и вся другая материя искривляют или искажают пространство и время. Затем галактики и лучи света перемещаются в этом искаженном пространстве-времени в соответствии с уравнением, предложенным швейцарским математиком 18-го века Леонардом Эйлером. С помощью современных телескопов мы можем наблюдать за этим танцем и сравнивать его с хореографией, написанной двумя гигантами науки, Эйнштейном и Эйлером. Но можем ли мы отличить вселенную, в которой уравнения Эйнштейна были нарушены, от вселенной, в которой уравнение Эйлера было изменено? Другими словами, если то, что мы наблюдали в телескопы, не соответствовало тому, что предписывали Эйнштейн и Эйлер, сможем ли мы сказать, какое из двух утверждений неверно?
Вы можете задаться вопросом, почему вообще можно сомневаться в Эйнштейне или Эйлере. В конце концов, существующие наблюдения прекрасно подтвердили справедливость их теорий. Причина подвергнуть их проверке кроется в том факте, что наша Вселенная полна неизвестных. В 1930-х годах швейцарско-американский астрофизик Фриц Цвикки заметил, что во Вселенной в пять раз больше материи, чем мы можем обнаружить с помощью наших телескопов. Он назвал эту новую материю «темной материей». Спустя почти 100 лет мы все еще не знаем, что такое темная материя: мы никогда не обнаруживали ни одной частицы темной материи и не знаем, как она движется. Поэтому законно задаться вопросом, ведет ли она себя как обычная материя и подчиняется ли закону Эйлера. Могут ли на него повлиять другие силы и взаимодействия, которые изменили бы уравнение Эйлера? Затем, в 1998 году, две группы астрофизиков заметили, что расширение нашей Вселенной ускоряется, вопреки ожидаемому замедлению из-за гравитационного притяжения между галактиками.
На сегодняшний день мы не знаем, что вызывает такое странное поведение: связано ли оно с присутствием еще одного «темного» вещества, обладающего отталкивающей гравитацией? Или это связано с самой гравитацией, а это означает, что предсказания Эйнштейна о том, как она ведет себя на очень больших расстояниях, были бы неверными? Таким образом, проверка уравнений Эйнштейна и Эйлера является логическим следствием загадок, с которыми мы сталкиваемся. Проверка того, действует ли гравитация Эйнштейна на огромных расстояниях Вселенной, стала активной областью исследований. Теоретики предлагают новые идеи о том, как гравитация может работать по-другому, в то время как астрономы используют все более совершенные средства для предоставления данных, необходимых для их проверки. Исследователи выявили особый «дымящийся пистолет» модифицированной гравитации, известный как «гравитационное скольжение». Общая теория относительности предсказывает, что пути света и материи должны изгибаться одинаково, когда они путешествуют через одно и то же искаженное пространство-время.
Это очень похоже на тот факт, что разные объекты падают с одинаковой скоростью под действием земной гравитации (если можно пренебречь сопротивлением воздуха) — это знаменито продемонстрировал Галилей на Пизанской башне. Сравнивая то, как галактики падают в гравитационные колодцы, с тем, как свет от этих галактик отклоняется гравитационным линзированием, можно сделать вывод, ощущают ли они одинаковую гравитацию. Если бы кто-то обнаружил, что они разные, мы бы сказали, что произошло гравитационное скольжение. Измерение скольжения — одна из главных целей Euclid, широкоугольного космического телескопа, запущенного Европейским космическим агентством на ракете Space-X. Но что, если бы Евклид обнаружил, что произошла оговорка? Можем ли мы быть уверены, что это происходит из-за изменения гравитации, или это также может быть связано с изменением уравнения Эйлера? Последнее было бы иначе, если бы, например, темная материя в галактиках подверглась воздействию новой силы.
Мы вдвоем подошли к этому вопросу с разных точек зрения: один занимался разработкой тестов модифицированной гравитации, а другой исследовал тонкие поправки, которые Общая теория относительности добавляет к тому, что мы измеряем с помощью обзоров галактик. К нашему удивлению, хотя мы оба пришли к выводу, что ответ очевиден, наши первоначальные ответы были противоположны друг другу. После интенсивного обсуждения мы в конце концов пришли к соглашению, в результате которого была опубликована статья в журнале Nature Astronomy. Наш вывод заключался в том, что, вопреки общим ожиданиям, измерение гравитационного скольжения не позволит отличить модификацию законов Эйнштейна от модификации уравнения Эйлера. Однако различие может быть возможным, если можно будет измерить эффект, называемый «гравитационным красным смещением», что должно быть возможно с помощью таких телескопов, как Спектроскопический инструмент темной энергии и грядущая система Square Kilometer Array.
Одним из наших ключевых выводов было то, что для того, чтобы определить, сигнализирует ли измеренное гравитационное скольжение о нарушении общей теории относительности, необходимо измерить скорость обычной материи, когда она не ограничена галактикой. Однако на практике мы можем наблюдать свет только от звезд, которые находятся в галактиках и, следовательно, движутся вместе с темной материей. Телескопы могут измерять только коллективное движение галактики, содержащей как нормальную материю, так и темную материю. Итак, если бы галактика попала в гравитационный потенциал таким образом, который не соответствовал нашим ожиданиям, мы не смогли бы сказать, происходит ли это из-за того, что темная материя что-то делает, или из-за изменения гравитации. Существует способ напрямую исследовать гравитационный потенциал, наблюдая за тем, как он искажает время посредством гравитационного красного смещения. Время, которое показывают часы на вершине высокой горы, отличается от времени, которое показывают часы на уровне моря. Эти различия чрезвычайно малы, но на самом деле очень важны при проектировании спутниковых навигационных систем.
Когда свет галактики выходит за пределы гравитационного потенциала, в который он попадает, его цвет становится ближе к красному. Это гравитационное красное смещение возникает исключительно из-за искажения времени. Гравитационное линзирование, которое отличается от красного смещения, вызвано искажениями как пространства, так и времени, а не только времени. Нам нужно иметь и линзирование, и красное смещение, чтобы изолировать гравитационное скольжение. Именно эта способность отделять искажение пространства и времени от искажения самого времени является ключом к измерению истинного гравитационного скольжения. Измерение гравитационного красного смещения невозможно, если невозможно легко отследить, поменялась ли пара галактик местами. Хотя отличить любые две галактики, измеренные телескопом, не так уж и сложно, при проведении статистического анализа каталога из миллионов галактик вы можете быстро потерять способность приписывать галактикам какую-либо идентичность; в какой-то момент все они рассматриваются как точки на небе. Однако были разработаны методы разделения галактик на разные популяции и отслеживания обмена между ними. Со временем новые технологии смогут обнаружить крошечные эффекты гравитационного красного смещения и, следовательно, отличить модификацию уравнения Эйлера для темной материи от модификации гравитации.
