Kto będzie górą: ciemna energia czy zmodyfikowana grawitacja?
Choć ogólna teoria względności okazała się jak dotąd niezwykle trafna, nie jest jedyną teorią wyjaśniającą istnienie grawitacji. Tak naprawdę istnieje wiele alternatywnych teorii dotyczących tej tematyki. Naukowcy nie są po prostu pewni, jak mogą one oprzeć się obserwacjom i symulacjom. Aby wypełnić tę lukę w wiedzy, realizowany dzięki wsparciu programu „Maria Skłodowska-Curie” projekt GalaxyDance wykorzystał informacje zakodowane w statystykach dotyczących swoistych prędkości galaktyk Wszechświata Lokalnego, a także zaobserwowanych w odległych galaktykach zniekształceniach przestrzeni w wyniku przesunięć ku czerwieni (ang. redshift space distortions, RSD). Dr Wojciech Hellwing, koordynator projektu i badacz w Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk, omawia uzyskane dotąd wyniki projektu. Co sprawia, że tak trudno jest pojąć zjawisko ekspansji Wszechświata? Im głębiej i dalej możemy prowadzić obserwacje Wszechświata, nieustannie jesteśmy zaskakiwani pewnymi jego właściwościami. Jedną z nich jest przyspieszona ekspansja czasoprzestrzeni, co obecnie przypisywane jest działaniu ciemnej energii. Jednak prawda jest taka, że możemy rozważać ciemną energię tylko przy założeniu, że teoria grawitacji Einsteina jest prawdziwa dla kosmosu w każdej skali. Istnieją inne możliwe wyjaśnienia dla przyspieszonej ekspansji, które nie bazują na ciemnej energii. Teorie te wykraczają poza ogólną teorię względności i są powszechnie nazywane „zmodyfikowanymi teoriami grawitacji”. Sprawdzenie ogólnej teorii względności oraz tych alternatyw w skali międzygalaktycznej jest pilną i ważką kwestią dla współczesnej astronomii pozagalaktycznej. To właśnie było celem projektu GalaxyDance. Czy mógłby Pan opowiedzieć nam więcej o zastosowanym przez Państwa podejściu? Projekt GalaxyDance wprowadza innowacyjne podejście oparte na wykorzystaniu statystyk niższych rzędów dotyczących prędkości galaktyk i procesu ich grupowania, aby przetestować teorię grawitacji Einsteina i jej analogii. Test ten obejmuje skalę międzygalaktyczną, w której teoria grawitacji nie została jak dotąd dokładnie zbadana. Wykazałem, że to podejście ma kilka unikalnych zalet: jest niezależne od modelu grawitacji, pozbawione znaczącego błędu systematycznego galaktyk i w dużym stopniu niezależne od praw fizyki barionowej. Wykorzystałem najnowocześniejsze symulacje komputerowe, które odtwarzają wirtualny Wszechświat na superkomputerze. Przeprowadzając i analizując te symulacje możemy przetestować teorie wykraczające poza ogólną teorię względności i otrzymać wstępnie obiecujące wyniki. Co sprawia, że to podejście jest szczególnie innowacyjne? Wykorzystanie wielkoskalowych symulacji superkomputerowych nie było wcześniej możliwe w modelach innych niż oparte na ogólnej teorii względności, ponieważ są one bardzo złożone, a ich wartości numeryczne bardzo wysokie. Aby rozwiązać ten problem, zdecydowaliśmy się użyć algorytmu przyspieszającego, który (kosztem stopnia dokładności) może o wiele wydajniej modelować ewolucję Wszechświata. Udało mi się wykazać, że w przypadku prędkości kosmicznych, takie szacunkowe podejście wystarcza do uzyskania wiarygodnych wyników. Jakie są najważniejsze osiągnięcia projektu? Niewątpliwie jest to nowy zestaw wielkoskalowych, nowoczesnych symulacji teorii alternatywnych, które umożliwią przeprowadzenie niespotykanych dotąd badań w dziedzinie kosmicznych pól prędkości. Wykazaliśmy już, że statystyki niższych rzędów dla galaktycznych pól prędkości powinny zawierać silny sygnał pochodzący od zmodyfikowanej grawitacji. Jednakże wykazaliśmy również, że aby zmierzyć i wyodrębnić ten sygnał, dedykowane, dokładne modelowanie wpływu sąsiadujących z nami struktur kosmicznych, takich jak gromada galaktyk w gwiazdozbiorze Panny, będzie mieć kluczowe znaczenie dla powodzenia naszej metody. Co jeszcze chcą Państwo osiągnąć przed zakończeniem projektu? Wdrożymy dodatkowe modelowanie procesów, które określają kolory galaktyk, ich blask i kształt. Pozwoli to na stworzenie katalogu sztucznych galaktyk, które pokażą, co zostałoby stworzone we Wszechświecie rządzonym przez teorie alternatywne do teorii grawitacji Einsteina. Następnie porównamy nasze wyniki z istniejącymi i przyszłymi obserwacjami astronomicznymi, by dostarczyć nowych, rygorystycznych testów grawitacji w największych skalach. Jakie są dotychczasowe opinie środowiska akademickiego? Gdy prezentowaliśmy nasze wyniki na międzynarodowych konferencjach kosmologicznych, wielu kolegów wyraziło nimi zainteresowanie, a nawet pewien entuzjazm. Ponadto zaczęliśmy współpracować z badaczami, którzy mają potrzebną nam wiedzę fachową w zakresie obserwacji galaktyk (z Lyonu we Francji), a także w modelowaniu pobliskich struktur kosmicznych (naukowcy z Poczdamu w Niemczech). Bardzo się cieszymy na tę współpracę. Jaki jest spodziewany wpływ projektu w perspektywie długoterminowej? W jaki sposób przygotowuje on społeczność akademicką na nadejście nowej ery dużych zbiorów danych kosmologicznych? Projekt GalaxyDance sprawi, że przeprowadzanie kosmologicznych testów różnych teorii grawitacji będzie możliwe w praktyce. Bez względu na to, którą z teorii (dotyczącą ciemnej energii czy zmodyfikowaną teorię grawitacji) uzasadnią ostateczne wyniki, będą one mieć daleko idące i przełomowe konsekwencje dla naszego zrozumienia Wszechświata w największych skalach. Jeśli nasze testy ostatecznie dostarczą przesłanek dla nowych praw fizyki przewidywanych przez teorie o innych postulatach niż ogólna teoria względności, wstrząśnie to naszymi obecnymi poglądami i tym, jak rozumiemy ewolucję kosmosu w dużej skali. Jeśli z drugiej strony, nasze badania wzmocnią znaczenie ogólnej teorii względności, będzie to oznaczać, że musimy włożyć więcej pracy w to, by zgłębić tajemnice ciemnej energii.
Kraje
Polska