Общая теория относительности, лучшая на данный момент теория гравитации, была опубликована Эйнштейном в 1915–1916 годах. За это время она получила ряд наблюдательных подтверждений, в частности существуют три широко известных классических эффекта — смещение перигелия орбиты Меркурия, отклонение световых лучей в гравитационном поле Солнца и замедление времени в гравитационном поле.
Все эти эффекты были зафиксированы в пределах Солнечной системы.
И вот теперь проведена первая проверка общей теории относительности в космологических масштабах.
Об этой проверке подробно рассказывается в статье, опубликованной в этот четверг в журнале Nature. В ней представлены результаты работы международной группы ученых из США, Швейцарии и Кореи под руководством Рейнабеля Рейеса из американской обсерватории Принстонского университета.
Крупномасштабную структуру Вселенной можно исследовать методом слабого гравитационного линзирования на основе статистики слабых искажений формы далеких галактик. Эти искажения возникают в результате притягивания света элементами крупномасштабной структуры. <4>Три года назад в журнале Physical Review Letters была опубликована теоретическая работа Пенцзи Чжана и других, которая была посвящена возможности проверок общей теории относительности и альтернативных ей теорий. В этой работе был введен параметр EG, характеризующий крупномасштабную структуру Вселенной. В целом этот параметр пропорционален средней плотности Вселенной и обратно пропорционален темпам роста структур во Вселенной. Согласно общей теории относительности параметр EGдолжен иметь значение 0,408±0,029.
Определив значение этого параметра из наблюдений, можно сделать выводы о справедливости общей теории относительности или других теорий.
Задача Рейеса и его коллег как раз заключалась в том, чтобы посчитать EG. Для этого они использовали данные обзора The Sloan Digital Sky Survey. Этот обзор был выполнен уже в двух версиях, в настоящее время ведутся работы по созданию его третьей версии. Данные обзора представляют собой многоцветные изображения с большим разрешением, охватывающие более четверти неба, куда попадает почти миллион галактик. Для определения EG использовались 70 205 галактик, находящихся в пределах красного смещения z=0,309 (напомним, что этим параметром в астрономии характеризуется расстояние до далеких объектов: z показывает изменение длины волны излучения объекта в результате расширения Вселенной). Это соответствует стадии жизни Вселенной 3,5·109 лет назад.<1>
В результате обработки данных обзора SDSS ученые получили среднее наблюдательное значение EG, равное 0,392±0,065.
Оно совпадает с тем значением, которое предсказывала общая теория относительности, которая таким образом получила еще одно доказательство своей справедливости.
«Это очень хорошо, что мы с помощью наблюдений можем протестировать любую, в том числе и альтернативную, теорию гравитации, — говорит Урош Селяк, один из авторов работы в Nature. — Получается, что альтернативные теории, которые не требуют существования темной материи, в большинстве своем не прошли наше испытание».
В частности, по результатам данной работы полный крах потерпела скалярно-тензорно-векторная теория гравитации, которая была разработана как альтернатива «темной материи».
В планах ученых стоит продолжение проверок теорий гравитации с использованием еще большего количества галактик (до миллиона). Это будет возможно с выходом третьей версии обзора SDSS, работа над которым будет продолжаться до 2014 года.