우리는 우주의 규모에서 알버트 아인슈타인의 중력 이론을 테스트했습니다

우주의 모든 것에는 중력이 있고 중력도 느낍니다.

우주의 모든 것에는 중력이 있고 중력도 느낍니다. 그러나 물리학자들에게 가장 큰 도전 과제는 바로 이 가장 보편적인 기본 힘이기도 합니다.

알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 별과 행성의 중력을 설명하는 데 매우 성공적이었지만 모든 규모에 완전히 적용되는 것은 아닌 것 같습니다.

일반 상대성 이론은 에딩턴의 별빛 회절 측정으로부터 수년간의 관찰 테스트를 통과했습니다. 1919년 중력파의 마지막 탐지까지.

그러나 양자 역학의 법칙이 작동하는 아주 작은 거리에 적용하려고 하거나 전체 우주를 설명하려고 할 때 이해의 격차가 나타나기 시작합니다.

Nature Astronomy에 발표된 우리의 새로운 연구는 아인슈타인의 이론을 가장 큰 규모로 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 것이 발견되었습니다(2011년 노벨 물리학상을 수상한 발견).

그러나 가속도를 설명하는 데 필요한 진공 에너지 또는 암흑 에너지의 양은 양자 이론이 예측하는 것보다 훨씬 적습니다.

따라서 “오래된 우주 상수 문제”라고 불리는 큰 문제는 진공 에너지가 실제로 끌어당겨지는지 여부입니다. 이는 중력으로 이어지며 우주의 팽창을 변화시킵니다.

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 은하와 성단이 오늘날 우리가 관찰하는 방식으로 진화한 방법을 설명하기 위해 암흑 물질이라고 하는 일종의 보이지 않는 물질의 존재를 가정해야 합니다.

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이러한 가정은 70%의 암흑 에너지, 25%의 암흑 물질 및 5%의 정상 물질이 있음을 시사하는 LCDM(Lambda Cold Dark Matter Model)이라고 불리는 과학자들의 표준 우주론에 통합되었습니다. 우주.

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 허블 상수라고 하는 우주 팽창 속도를 측정하는 다양한 방법이 서로 다른 답을 제시한다는 것이 분명해지면서 새로운 발전이 나타났습니다. 즉, 허블 장력으로 알려진 문제입니다.

허블 상수의 두 값 사이의 불일치 또는 긴장.

첫 번째는 빅뱅(우주 마이크로파 배경 복사)의 잔류광과 일치하도록 개발된 우주 LCDM 모델에서 예측한 숫자입니다.

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.

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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 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 추론으로 알려진 통계적 방법을 사용하여 우리는 우주 역사를 통해 우주의 중력을 재구성합니다. 컴퓨터 모델은 이 세 가지 매개변수에 따라 다릅니다.

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우리는 플랑크 위성 및 초신성 카탈로그의 우주 마이크로파 배경 데이터와 SDSS 및 DES 망원경으로 먼 은하의 모양과 분포를 관찰하여 매개변수를 추정할 수 있습니다.

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.

우리 연구에서도 중력이론을 바꾸는 것만으로는 허블 장력 문제를 푸는 것이 매우 어렵다는 것을 발견했습니다.

아마도 완전한 솔루션은 우주론 모델의 새로운 구성 요소를 필요로 할 것입니다. 양성자와 전자가 처음으로 결합하여 빅뱅 직후에 수소를 형성하기 이전에 존재했던 특별한 형태의 암흑 물질 또는 초기 유형의 암흑 또는 원시 에너지와 같이 . 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.

작성자: Kazuya Koyama, University of Portsmouth 및 Levon Pogosian, Simon Fraser . University

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