Prestiżowa publikacja polskiego astrofizyka potwierdza teorię względności

Zwątpiliście w Einsteina w zeszły piątek? Naukowcy nie. W "Nature" ukazała się właśnie praca dr. Radosława Wojtaka, po raz pierwszy dostarczająca dowodów na słuszność Ogólnej Teorii Względności zebranych z olbrzymiego obszaru widzialnego Wszechświata

Albert Einstein opublikował Ogólną Teorię Względności w 1916 roku. Wynika z niej, że duża masa (np. gwiazda) zaburza otaczającą ją czasoprzestrzeń, więc promienie światła biegnące w jej pobliżu ulegają zakrzywieniu jak w soczewce. Dalekie gwiazdy będące tłem dla dużej masy widać więc nie w tych miejscach, co zwykle.

Trzy lata później inny wielki fizyk, Arthur Stanley Eddington zorganizował specjalną wyprawę do Afryki, żeby potwierdzić te przewidywania. Zdjęcia wykonane na Wyspie Książęcej podczas zaćmienia Słońca ujawniły przesunięcie pozycji odległych gwiazd zgodnie z przewidywaniami teorii Einsteina. Masa naszej najbliższej gwiazdy zakrzywia czasoprzestrzeń.

Od czasów Eddingtona wiele się jednak zmieniło w technikach obserwacyjnych i dalsze testy teorii Einsteina mają olbrzymie znaczenie dla nauki.

Grawitacyjne studnie można znaleźć wszędzie

Opublikowana w czwartkowym numerze "Nature" praca dostarcza nowych dowodów potwierdzających Ogólną Teorię Względności w skali daleko wykraczającej daleko poza Układ Słoneczny. Jej autorem jest dr Radosław Wojtak, odbywający staż podoktorski w Dark Cosmology Centre na Uniwersytecie Kopenhaskim.

Polski astrofizyk wraz z dwoma duńskimi kolegami zbadał zakrzywienie czasoprzestrzeni w gromadach galaktyk, które trzymają się razem dzięki grawitacji. Fizycy mierzyli tzw. grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni, czyli zmianę koloru światła wynikającą z obecności masywnych obiektów we Wszechświecie. Zbadali w ten sposób aż 120 tys. galaktyk z niemal 8 tys. gromad. Zgodnie z teorią Einsteina, światłu (tak jak wszystkim innym rzeczom) trudniej wydostać się ze studni grawitacyjnej, czyli miejsc, gdzie grawitacja jest silniejsza.

- Byliśmy w stanie zmierzyć maleńkie zmiany w przesunięciu ku czerwieni galaktyk i ustalić, że światło z galaktyk które są w centrum gromady musi "wypełznąć" z silnego pola grawitacyjnego. Światłu galaktyk położonych na peryferiach jest łatwiej wydostać się na zewnątrz - wyjaśnia Wojtak.

Caption: Researchers have analyzed measurements of the light from galaxies in approximately 8,000 galaxy clusters. Galaxy clusters are accumulations of thousands of galaxies (every light in the image is a galaxy), which are held together by their own gravity. This gravity affects the light that is sent out into space from the galaxies.Credit: Hubble Space Telescope

- To naprawdę cudowne. Żyjemy w epoce dającej techniczne możliwości zmierzenia takich zjawisk jak grawitacyjne zmiany przesunięcia ku czerwieni w skali kosmologicznej - dodaje uczony.

Teoretyczne przewidywania takich zjawisk dla poszczególnych gromad okazały się zgodne ze zgromadzonymi obserwacjami.


Astronomowie boją się, że Ziemia wkrótce oślepnie

Wyjaśnić ciemną materię

Dzięki teorii Einsteina możliwe było między innymi opracowanie technik tzw. mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Astronomowie są w stanie zaobserwować zaburzenia grawitacyjne wywołane przez planety krążące wokół innych gwiazd. W ten sposób odkryto już mnóstwo globów poza Układem Słonecznym. (A projekty szukania planet podobnych do Ziemi to również "polska specjalność".)

Patrząc w Kosmos z naszej małej planety, widzimy więcej.

Równocześnie jednak, odkrycie Wojtaka pomoże w uporaniu się z olbrzymim problemem współczesnej astrofizyki: zagadką ciemnej materii. Gromady galaktyk - gdyby składały się tylko z widocznych obiektów (gwiazd, planet, gazu) - rozpadłyby się, bo wzajemne przyciąganie poszczególnych galaktyk jest zbyt słabe. Naukowcy uznali więc, że w Kosmosie jest bardzo wiele szczególnej materii, nieodbijającej i nieemitującej promieniowania elektromagnetycznego.

- Ogólna Teoria Względności nie była dotychczas testowana w skali kosmologicznej w oderwaniu od założeń Modelu Lambda-CDM - podkreśla Wojtak na łamach "Nature", odnosząc się do najważniejszego dziś modelu Wszechświata obejmującego ciemną materię i energię. Podkreśla jednak, że uzyskane pomiary nie są zgodne z takimi modelami alternatywnymi, które ciemnej materii nie uwzględniają.

Publikacja w magazynie "Nature" ukazuje się kilka dni po sensacyjnych doniesieniach włoskich uczonych, których eksperyment podważa jedno z kluczowych założeń Einsteina. Neutrina okazały się pędzić z prędkością nadświetlną, a to w teorii Einsteina jest zabronione. Piątkowa sensacja z CERN dotyczy mikroświata cząstek elementarnych i wciąż wymaga skrupulatnych badań. Tymczasem odkrycie dr. Wojtaka wzmacnia teorie Einsteina, pokazując, że jest ona doskonałym modelem dla zjawisk zachodzących na olbrzymim obszarze Wszechświata.

Czy jest równie sensacyjne?

- Spory o grawitację będą się toczyć, ale pionierska praca zespołu Wojtaka daje wyobrażenie o możliwościach nowych testów w skali kosmologicznej - ocenia na łamach "Nature" prof. Gary Wegner z Dartmouth College (USA). - Pozwolą na większą precyzję, gdy odkryjemy miliony dalszych galaktyk i z ich poczerwienienia będziemy mogli wyekstrahować wielkości poczerwienienia grawitacyjnego.

Dr Wojtak "zaledwie" testuje Ogólną Teorię Względności, pokazując, że dane zebrane z odległych galaktyk doskonale pasują do genialnej teorii, która od stu lat obowiązuje w astrofizyce. To dużo.

 

 

Dr Radosław Wojtak komentuje "kłopoty Einsteina" dla magazynu Next

dr Radek Wojtak
dr Radek Wojtak, DARK

Pana badania to "duża wersja" słynnej wyprawy Eddingtona z 1919 roku...

Tak, jest to "w duchu" wyprawy Eddingtona ;-) Oczywiście mówimy też o dwóch różnych efektach: ugięcie promieni światła i grawitacyjne przesuniecie ku czerwieni. Obydwa sa "podręcznikowymi" przykładami testów Ogólnej Teorii Względności.

W świetle (nomen omen) ostatniego sensacyjnego doniesienia z CERN, badania potwierdzające Teorię Względności z pewnością wzbudzą olbrzymie zainteresowanie. Czy mógłby Pan odnieść się do tego - wciąż czekającego na potwierdzenie, ale jednak interesującego - "wyskoku" neutrin w nadświetlną?

Zgadzam się, że jest to sensacyjny wynik. To pierwszy eksperymentalny rezultat, który potencjalnie może wskazywać, ze za teorią względności (zarówno szczególną jak i ogólną) kryje się coś głębszego. Z drugiej strony, droga do uznania tego wyniku za coś motywującego teoretyków do poszukiwania ogólniejszej teorii, jest bardzo długa. Naturalną strategią będzie teraz poszukiwanie błędu systematycznego (aparatura, pomiary itp.), co jest zawsze najtrudniejszym elementem w tego typu eksperymentach.

Wyniki z CERN-u nie dają się pogodzić z obserwacją strumienia neutrin pochodzących z wybuchu słynnej supernowej 1987A. Przy założeniu prędkości nadświetlnej, neutrina z tej supernowej powinny były dotrzeć do Ziemi znacznie wcześniej. Mamy więc dodatkowy argument astrofizyczny sugerujący błąd systematyczny w pomiarze z CERN-u. Oczywiście na finalną odpowiedź trzeba jeszcze poczekać.

Jeśli okazałoby się, że wyniki z CERN-u są prawdziwe, teoretycy zaczęliby poszukiwać teorii... ogólniejszej niż Ogólna Teoria Względności. Nie znaczy to jednak, ze ona sama jest błędna. Nowa teoria motywowana wynikami z CERN-u powinna przewidywać dokładnie te same efekty co Ogólna Teoria Względności (+ poprawki na wyliczenie tych efektów + być może nowe efekty).

Zbadany przeze mnie efekt poczerwienienia grawitacyjnego powinien być dalej elementem nowej teorii. Można by się było spodziewać pewnych poprawek na wyliczanie tego efektu, ale intuicja podpowiada mi, że te poprawki byłyby bardzo małe (niemierzalne w gromadach galaktyk).

Jakie jest miejsce einsteinowskiego postulatu o prędkości światła w Pańskiej pracy?

Postulat stałej prędkości światła jest istotny w sformułowaniu teorii względności. Myślę, że istotniejszym jej elementem, który testuję w mojej pracy, jest zależność lokalnego pomiaru czasu od wielkości pola grawitacyjnego. Efekt poczerwienienia grawitacyjnego wynika z faktu, że zegary w silnym polu grawitacyjnym chodzą szybciej niż w słabym. Ogólna Teoria Względności pozwala powiązać skalę upływu czasu z wielkością pola grawitacyjnego w sposób ilościowy.

Foton wysłany z miejsca o silnym polu grawitacyjnym dociera do punktu ze słabą grawitacją i zaczyna odczuwać wolniejszy upływ czasu. Wolniej płynący czas przekłada się na dłuższy okres, mniejsza częstotliwość i większą długość fali (czyli przesuniecie w stronę czerwonej części widma).

 

Czy Einstein miał rację? - dla Next komentuje dr astronomii Weronika Śliwa z CNK

Nad każdą teorią fizyczną stale wisi miecz Damoklesa: obowiązuje, dopóki fakty jej nie zaprzeczą. Ogólna teoria względności przeszła właśnie kolejny test: poprawnie opisała zachowanie jednych z największych i najbardziej od nas oddalonych obiektów: galaktyk w gromadach galaktyk. To, że jej przewidywania się sprawdziły dostarcza nam nie tylko potwierdzenia obecnie uznawanych praw. Potwierdza też jedno z podstawowych założeń kosmologii, zgodnie z którym w odległym Wszechświecie prawa fizyki działają tak samo jak w ziemskich laboratoriach.

 

Przeczytaj także: Przekroczono prędkość światła. Włoscy badacze obalają dogmat nauki?


Więcej o: