우주의 모든 것에는 중력이 있고 중력도 느낍니다. 그러나 물리학자들에게 가장 큰 도전 과제는 바로 이 가장 보편적인 기본 힘이기도 합니다.
알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론 별과 행성의 중력을 설명하는 데는 놀라울 정도로 성공적이었지만 모든 규모에서 사실이 아닌 것 같습니다.
일반 상대성 이론 수년간의 관찰 테스트를 통과했습니다. 에딩턴 측정 1919년 태양으로부터의 별빛의 회절로부터 중력파의 현대적 감지.
그러나 우리가 아주 작은 거리에 적용하려고 할 때 이해의 격차가 나타나기 시작합니다. 양자역학의 법칙이 작동한다또는 우리가 전체 우주를 설명하려고 할 때.
우리의 새로운 연구, 에 게시 됨 자연 천문학그는 이제 가장 큰 규모로 아인슈타인의 이론을 테스트했습니다.
우리는 우리의 접근 방식이 언젠가는 우주론의 가장 큰 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 것이라고 믿고 있으며, 결과는 일반 상대성 이론이 이 규모로 수정되어야 할 수도 있음을 시사합니다.
불량 모델?
양자 이론은 빈 공간, 즉 공허함은 에너지로 가득 차 있다고 예측합니다. 우리의 장치는 총량이 아닌 에너지의 변화만 측정할 수 있기 때문에 우리는 그것들의 존재를 알아차리지 못합니다.
그러나 아인슈타인에 따르면 진공의 에너지는 반발력이 있어 빈 공간을 밀어냅니다. 흥미롭게도 1998년에 우주의 팽창이 실제로 가속되고 있다는 사실이 발견되었습니다. 2011년 노벨 물리학상).
그러나 진공 에너지의 양, 또는 암흑 에너지 가속도는 양자 이론이 예측하는 것보다 훨씬 더 작다는 것을 설명할 필요가 있습니다.
따라서 “오래된 우주 상수 문제”라고 불리는 큰 문제는 진공 에너지가 실제로 끌어당겨 중력을 발생시키고 우주의 팽창을 변경하는지 여부입니다.
그렇다면 왜 그 매력이 예상보다 훨씬 약합니까? 진공이 전혀 끌리지 않으면 우주 가속의 원인은 무엇입니까?
우리는 암흑 에너지가 무엇인지 모르지만 우주의 팽창을 설명하기 위해서는 암흑 에너지의 존재를 가정할 필요가 있습니다.
마찬가지로 우리는 또한 보이지 않는 물질이라고 불리는 어떤 종류의 존재가 있다고 가정해야 합니다. 암흑 물질은하와 성단이 오늘날 우리가 관찰하는 방식으로 진화한 방법을 설명합니다.
이러한 가정은 LCDM(Cold Dark Matter Lambda Model)이라고 불리는 과학자들의 표준 우주론에 통합되었습니다. 이 이론은 우주에 암흑 에너지의 70%, 암흑 물질의 25%, 일반 물질의 5%가 있다고 제안합니다. 이 모델은 지난 20년 동안 우주론자들이 수집한 모든 데이터를 맞추는 데 매우 성공적이었습니다.
그러나 우주의 대부분이 힘과 암흑 물질로 구성되어 있으며, 이 암흑 물질은 이상하고 무의미한 값을 취하므로 많은 물리학자들은 전체 우주를 설명하기 위해 아인슈타인의 중력 이론을 수정해야 하는지 의구심을 갖게 되었습니다.
몇 년 전 우주 팽창 속도를 측정하는 다양한 방법이 허블 상수다른 대답을 제공하십시오 – 로 알려진 문제 허블 장력.
허블 상수의 두 값 사이의 불일치 또는 긴장.
첫 번째는 일치하도록 개발된 LCDM 우주론 모델에 의해 예측된 숫자입니다. 빅뱅이 남긴 빛 (그만큼 우주 전자 레인지 배경 방사능).
다른 하나는 멀리 떨어진 은하에서 초신성을 관찰하여 측정한 팽창률입니다.
LCDM 변조 방법에 대한 몇 가지 이론적 아이디어가 허블 장력을 설명하기 위해 제안되었습니다. 그 중에는 대체 중력 이론이 있습니다.
답변 검색
우리는 우주가 아인슈타인 이론의 규칙을 따르는지 확인하기 위한 테스트를 설계할 수 있습니다.
일반 상대성 이론은 중력을 빛과 물질이 이동하는 경로를 구부리는 공간과 시간의 곡률 또는 편향으로 설명합니다. 중요한 것은 빛과 물질 광선의 경로가 중력에 의해 같은 방식으로 구부러져야 한다는 점입니다.
우리는 우주론자 팀과 함께 일반 상대성 이론의 기본 법칙을 테스트했습니다. 우리는 또한 아인슈타인의 이론을 수정하는 것이 허블 장력과 같은 우주론의 일부 미해결 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있는지 여부를 조사했습니다.
일반 상대성 이론이 대규모로 사실인지 알아보기 위해 처음으로 일반 상대성 이론의 세 가지 측면을 동시에 조사하기 시작했습니다. 이것은 우주의 팽창, 빛에 대한 중력의 영향, 물질에 대한 중력의 영향이었습니다.
베이지안 추론이라는 통계적 방법을 사용하여 이 세 가지 매개변수를 기반으로 컴퓨터 모델에서 우주 역사를 통해 우주의 중력을 재구성했습니다.
우리는 플랑크 위성, 초신성 카탈로그의 우주 마이크로파 배경 데이터와 멀리 떨어진 은하의 모양 및 분포 관찰을 사용하여 매개변수를 추정할 수 있습니다. SDSS 그리고 드 망원경.
그런 다음 재구성을 LCDM 모델(본질적으로 아인슈타인의 모델)에 대한 예측과 비교했습니다.
비록 통계적 유의성이 다소 낮지만 아인슈타인의 예측과의 불일치 가능성에 대한 흥미로운 힌트를 찾았습니다.
이것은 중력이 대규모에서 다르게 작용할 가능성이 여전히 있고 일반 상대성 이론을 수정해야 할 수도 있음을 의미합니다.
우리의 연구는 또한 중력 이론을 바꾸는 것만으로는 허블 장력 문제를 해결하는 것이 매우 어렵다는 것을 발견했습니다.
아마도 완전한 해결책은 우주론적 모델의 새로운 구성요소를 필요로 할 것입니다. 이 모델은 양성자와 전자가 처음으로 결합하여 수소를 형성하기 이전에 존재했던 것입니다. 큰 폭발예를 들어 특별한 형태의 암흑 물질, 초기 유형의 암흑 에너지, 또는 원시 자기장.
또는 데이터에 알 수 없는 시스템 오류가 있을 수 있습니다.
그러나 우리 연구는 관측 데이터를 사용하여 우주 거리에서 일반 상대성 이론의 타당성을 테스트하는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 아직 허블 문제를 해결하지는 못했지만 몇 년 안에 새로운 탐사선에서 많은 데이터를 얻게 될 것입니다.
이것은 우리가 이러한 통계적 방법을 사용하여 일반 상대성 이론을 더욱 수정하고 수정의 한계를 탐색하며 우주론의 일부 미해결 과제를 해결할 수 있는 길을 열 수 있음을 의미합니다.
코야마 카즈야우주론 교수, 포츠머스 대학교 그리고 레본 보고시안물리학 교수, 사이먼 프레이저 대학교
