Искажения в пространстве-времени могут поставить под сомнение теорию относительности Эйнштейна

Согласно новому исследованию, опубликованному 22 июня в журнале Nature Astronomy, предложенный метод превращает край пространства и времени в огромную космическую лабораторию для изучения того, может ли теория относительности объяснить темную материю — загадочную, невидимую форму материи, о которой можно судить только по ее гравитационному влиянию на видимую материю и энергию Вселенной, а также ускоряющееся расширение Вселенной из-за темной энергии. По словам авторов исследования, этот метод готов к проверке в будущих исследованиях глубокой Вселенной.

Общая теория относительности утверждает, что гравитация является результатом того, что масса искривляет ткань пространства и времени, которую Эйнштейн объединил в четырехмерную сущность, называемую пространством-временем. Согласно теории относительности, время вблизи массивного объекта течет медленнее, чем в безмассовом вакууме. Это изменение в течении времени называется искажением времени.

С момента своего появления в 1915 году общая теория относительности прошла множество научных проверок и стала нашим лучшим описанием гравитации. Но ученые пока не уверены, что она может объяснить невидимую темную материю и темную энергию, которые вместе составляют около 95% энергии и материи во Вселенной.

«Искажение времени, предсказанное общей теорией относительности, уже было очень точно измерено на небольших расстояниях», — говорит Камилла Бонвин, ведущий автор исследования и доцент Женевского университета. «Она была измерена для самолетов, летающих по околоземному пространству, для звезд в нашей галактике, а также для скоплений галактик. Мы предлагаем метод измерения искажения времени на очень больших расстояниях».

Метод предполагает проверку искажения времени путем измерения красного смещения — изменения частоты света, излучаемого объектом по мере его удаления от нас. По словам Бонвина, разница заключается в том, что этот метод измеряет красное смещение, вызванное стремлением света выбраться из гравитационного колодца — «вмятины» в пространстве-времени, созданной массивным объектом.

«Этот подъем изменяет частоту света, поскольку время внутри и снаружи гравитационного колодца течет с разной скоростью», — сказала она. «Как следствие, цвет света меняется; он смещается в красную сторону». … Измеряя гравитационное красное смещение, мы получаем измерение искажения времени».

Время проверить общую теорию относительности

Искажение времени предполагает, что время не является абсолютным в нашей Вселенной, а скорее проходит с разной скоростью в зависимости от гравитационных полей. Эта идея не является исключительной для общей теории относительности.

«Искажение времени существует во всех современных теориях гравитации», — сказал Бонвин. «Однако амплитуда искажения времени — насколько присутствие массивного объекта замедляет время — варьируется от теории к теории».

В общей теории относительности предсказывается, что искажения времени и пространства одинаковы; в других теориях гравитации это не всегда так. Это означает, что, измеряя искажение времени и сравнивая его с искажением пространства, физики могут проверить достоверность общей теории относительности.

Новый метод команды также может проверить другую ведущую теорию космоса: формулу Эйлера, которую астрономы используют для расчета движения галактик. В частности, предложенное командой измерение искажения времени может доказать, подчиняется ли темная материя уравнению Эйлера, как предполагали предыдущие исследователи искажения времени.

«Мы никогда не наблюдали частицы темной материи напрямую. Мы ощущали ее присутствие только гравитационно», — сказал Бонвин. «Как следствие, мы не знаем, подчиняется ли темная материя уравнению Эйлера. Вполне возможно, что на темную материю влияют дополнительные силы или взаимодействия в нашей Вселенной, помимо гравитации. Если это так, то темная материя не будет подчиняться уравнению Эйлера».

Метод команды может быть использован будущими миссиями, включая телескоп Euclid Европейского космического агентства, запуск которого намечен на июль, и спектроскопический прибор для изучения темной энергии, который уже три года занимается исследованием Вселенной.

«С помощью данных, полученных в ходе этих исследований, можно будет измерить искажение времени», — сказал Бонвин. «Это очень интересно, потому что впервые мы сможем сравнить искажение времени с искажением пространства, чтобы проверить, справедлива ли общая теория относительности, а также сравнить искажение времени со скоростью движения галактик, чтобы проверить, справедливо ли уравнение Эйлера. С помощью одного нового метода измерения мы сможем проверить два фундаментальных закона».