Mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie revolutionierte Albert Einstein 1915 die Art und Weise, wie wir über unser Universum denken. Anstatt dass der Kosmos lediglich den Raum bot, in dem die Planeten und Sterne einander umkreisen konnten, waren Raum und Zeit selbst nun dynamische Einheiten in einem sich ständig weiterentwickelnden Spiel mit Materie und Licht.
Einsteins Gleichungen beschrieben, wie Sterne, Galaxien und alle andere Materie krümmen oder verzerren Raum und Zeit. Die Galaxien und die Lichtstrahlen bewegen sich dann entsprechend in dieser verzerrten Raumzeit die Gleichung des Schweizer Mathematikers Leonhard Euler aus dem 18. Jahrhundert.
Mit Hilfe moderner Teleskope können wir diesen Tanz beobachten und ihn mit der Choreografie vergleichen, die von den beiden Giganten der Wissenschaft, Einstein und Euler, geschrieben wurde. Aber können wir ein Universum, in dem Einsteins Gleichungen verletzt wurden, von einem Universum unterscheiden, in dem Eulers Gleichung geändert wurde? Mit anderen Worten: Wenn das, was wir mit Teleskopen beobachteten, nicht mit den Vorschriften von Einstein und Euler übereinstimmte, könnten wir dann sagen, welches der beiden falsch war?
Ein Universum voller Unbekannter
Sie fragen sich vielleicht, warum man überhaupt an Einstein oder Euler zweifeln wollte. Schließlich haben bestehende Beobachtungen die Gültigkeit ihrer Theorien wunderbar bestätigt. Der Grund, diese auf die Probe zu stellen, liegt in der Tatsache, dass unser Universum voller Unbekannter ist.
In den 1930er Jahren beobachtete der schweizerisch-amerikanische Astrophysiker Fritz Zwicky, dass es im Universum fünfmal mehr Materie gibt, als wir mit unseren Teleskopen nachweisen können. Er nannte diese neue Materie „dunkle Materie“.
Fast 100 Jahre später Wir wissen immer noch nicht, was dunkle Materie ist: Wir haben noch nie ein Teilchen dunkler Materie entdeckt und wissen nicht, wie es sich bewegt. Es ist daher berechtigt zu fragen, ob es sich wie gewöhnliche Materie verhält und dem Eulerschen Gesetz gehorcht. Könnte es durch andere Kräfte und Wechselwirkungen beeinflusst werden, die die Euler-Gleichung verändern würden?
Dann, im Jahr 1998, beobachteten zwei Gruppen von Astrophysikern das die Expansion unseres Universums beschleunigt sichim Gegensatz zu der erwarteten Verzögerung aufgrund der Anziehungskraft zwischen Galaxien.
Bis heute wissen wir nicht, was dieses seltsame Verhalten verursacht: Liegt es an der Anwesenheit einer weiteren „dunklen“ Substanz mit abstoßender Schwerkraft? Oder liegt es an der Schwerkraft selbst, was bedeutet, dass Einsteins Vorhersagen darüber, wie sie sich über sehr große Entfernungen verhält, falsch wären? Das Testen der Einstein- und Euler-Gleichungen ist daher die logische Konsequenz aus den Rätseln, mit denen wir konfrontiert sind.
Riesige Entfernungen des Universums
Die Überprüfung, ob Einsteins Schwerkraft über die riesigen Entfernungen des Universums hinweg funktioniert, ist zu einem aktiven Forschungsgebiet geworden. Theoretiker schlagen neue Ideen vor, wie die Schwerkraft anders funktionieren könnte, während Astronomen immer fortschrittlichere Einrichtungen nutzen, um die für ihre Tests erforderlichen Daten bereitzustellen.
Forscher haben eine besondere „Smoking Gun“-Signatur der veränderten Schwerkraft identifiziert, die als „Smoking Gun“ bekannt ist.Gravitationsschlupf.“ Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass sich die Bahnen von Licht und Materie auf die gleiche Weise biegen sollten, wenn sie durch dieselbe verzerrte Raumzeit reisen.
Dies ähnelt weitgehend der Tatsache, dass verschiedene Objekte in der Schwerkraft der Erde mit der gleichen Geschwindigkeit fallen (wenn der Luftwiderstand vernachlässigt werden könnte) –etwas, das Galilei berühmt vom Turm von Pisa demonstrierte. Durch den Vergleich der Art und Weise, wie Galaxien in Gravitationsquellen fallen, mit der Art und Weise, wie das Licht dieser Galaxien durch Gravitationslinsen abgelenkt wird, kann man ableiten, ob sie die gleiche Schwerkraft spüren.
Wenn man sie als unterschiedlich empfindet, würden wir sagen, dass es eine gab Gravitationsschlupf. Die Messung des Schlupfes ist eines der Hauptziele von Euklid, ein Weitwinkel-Weltraumteleskop, das von der Europäischen Weltraumorganisation mit einer Space-X-Rakete gestartet wurde.
Aber was wäre, wenn Euklid feststellen würde, dass es einen Ausrutscher gab? Könnten wir sicher sein, dass dies auf eine Änderung der Schwerkraft zurückzuführen ist, oder könnte es auch auf eine Änderung der Eulerschen Gleichung zurückzuführen sein? Letzteres wäre anders, wenn beispielsweise die Dunkle Materie in den Galaxien einer neuen Kraft ausgesetzt wäre.
Gravitationsausrutscher
Wir beide gingen aus unterschiedlichen Perspektiven an diese Frage heran: Eine davon beinhaltete die Entwicklung von Tests modifizierte Schwerkraftwährend der andere die subtilen Korrekturen untersuchte, die die Allgemeine Relativitätstheorie hinzufügt was wir mit Galaxiendurchmusterungen messen.
Zu unserer Überraschung waren unsere anfänglichen Antworten, obwohl wir beide davon ausgingen, dass die Antwort offensichtlich sein würde, gegensätzlich. Nach intensiver Diskussion kamen wir schließlich zu einer Einigung, Dies führte zu einem Artikel, der in veröffentlicht wurde Naturastronomie.
Unsere Schlussfolgerung war, dass die Messung des Gravitationsschlupfs entgegen der allgemeinen Erwartung nicht erlauben würde, eine Modifikation der Einsteinschen Gesetze von einer Modifikation der Eulerschen Gleichung zu unterscheiden.
Die Unterscheidung könnte jedoch möglich sein, wenn man den als „gravitative Rotverschiebung“ bezeichneten Effekt messen könnte, was mit Teleskopen wie dem möglich sein sollte Spektroskopisches Instrument für dunkle Energie und das Kommende Quadratkilometer-Array.
Eine unserer wichtigsten Erkenntnisse war, dass man die Geschwindigkeit normaler Materie messen müsste, wenn sie nicht auf eine Galaxie beschränkt ist, um festzustellen, ob der gemessene Gravitationsschlupf einen Zusammenbruch der Allgemeinen Relativitätstheorie signalisiert. In der Praxis können wir jedoch nur das Licht von Sternen beobachten, die in Galaxien leben und sich daher zusammen mit der Dunklen Materie bewegen.
Teleskope können nur die kollektive Bewegung einer Galaxie messen, die sowohl normale als auch dunkle Materie enthält. Wenn also eine Galaxie auf eine Art und Weise in ein Gravitationspotential geraten würde, die nicht unseren Erwartungen entspricht, könnten wir nicht sagen, ob dies daran liegt, dass die Dunkle Materie etwas bewirkt oder dass die Schwerkraft verändert wurde.
Licht und Schwerkraft
Dort Ist eine Möglichkeit, das Gravitationspotential direkt durch die Art und Weise zu untersuchen, wie es die Zeit durch gravitative Rotverschiebung verzerrt.
Die von einer Uhr angezeigte Zeit Das auf einem hohen Berg ist anders als das einer Uhr auf Meereshöhe. Diese Unterschiede sind äußerst gering, aber tatsächlich sehr wichtig für die Gestaltung von Satellitennavigationssystemen.
Wenn das Licht einer Galaxie dem Gravitationspotential entkommt, in das es fällt, verschiebt sich seine Farbe in Richtung Rot. Diese gravitative Rotverschiebung ist ausschließlich auf Zeitverzerrung zurückzuführen. Der Gravitationslinseneffekt, der sich von der Rotverschiebung unterscheidet, ist sowohl auf räumliche als auch auf zeitliche Verzerrungen und nicht nur auf die Zeit zurückzuführen.
Wir benötigen sowohl Linsenwirkung als auch Rotverschiebung, um den Gravitationsschlupf zu isolieren. Diese Fähigkeit, die Verzerrung von Raum und Zeit von der Verzerrung der Zeit allein zu trennen, ist der Schlüssel zur Messung des tatsächlichen Gravitationsschlupfs.
Eine Messung der gravitativen Rotverschiebung ist unmöglich, wenn man nicht leicht verfolgen kann, ob ein Galaxienpaar seine Position getauscht hat. Während es nicht so schwer ist, zwei von einem Teleskop gemessene Galaxien voneinander zu unterscheiden, kann es bei einer statistischen Analyse eines Katalogs von Millionen von Galaxien schnell passieren, dass man den Galaxien keine Identität mehr zuordnen kann; Irgendwann werden sie alle als Punkte am Himmel behandelt.
Es wurden jedoch Techniken entwickelt, um Galaxien in verschiedene Populationen aufzuteilen und Verfolgen Sie den Austausch zwischen ihnen. Mit der Zeit werden neue Technologien in der Lage sein, die winzigen Auswirkungen der gravitativen Rotverschiebung zu erkennen und folglich eine Modifikation der Eulerschen Gleichung für Dunkle Materie von einer Modifikation der Schwerkraft zu unterscheiden.
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