Pubblicato nel 1915, la teoria della relatività generale (GR) di Einstein superò il suo primo grande test pochi anni dopo, quando la deflessione gravitazionale prevista della luce che passava vicino al Sole fu osservata durante l'eclissi solare del 1919.
Nel 1960, GR ha superato il suo primo grande test in un laboratorio, qui sulla Terra; l'esperimento Pound-Rebka. E nel corso dei nove decenni dalla sua pubblicazione, GR ha superato test dopo test dopo test, sempre a pieni voti (dai un'occhiata a questa recensione per un eccellente riassunto).
Ma i test sono sempre stati all'interno del sistema solare, o comunque indiretti.
Ora un team guidato dagli scienziati della Princeton University ha testato il GR per vedere se è vero su scala cosmica. E, dopo due anni di analisi dei dati astronomici, gli scienziati hanno concluso che la teoria di Einstein funziona anche a grandi distanze come in più regioni locali dello spazio.
L'analisi degli scienziati su oltre 70.000 galassie dimostra che l'universo - almeno fino a una distanza di 3,5 miliardi di anni luce dalla Terra - gioca secondo le regole stabilite da Einstein nella sua famosa teoria. Mentre il GR è stato accettato dalla comunità scientifica per oltre nove decenni, fino ad ora nessuno aveva testato la teoria in modo così approfondito e robusto a distanze e scale che andavano ben oltre il sistema solare.
Reinabelle Reyes, una studentessa laureata a Princeton nel Dipartimento di Scienze Astrofisiche, insieme alla coautrice Rachel Mandelbaum, studiosa di ricerca associata, e James Gunn, professore di astronomia di Eugene Higgins, hanno delineato la loro valutazione nell'edizione dell'11 marzo di Nature.
Altri scienziati che collaborano al documento includono Tobias Baldauf, Lucas Lombriser e Robert Smith dell'Università di Zurigo e Uros Seljak dell'Università della California-Berkeley.
I risultati sono importanti, hanno detto, perché sostengono le attuali teorie che spiegano la forma e la direzione dell'universo, comprese le idee sull'energia oscura, e dissipano alcuni suggerimenti da altri recenti esperimenti secondo cui la relatività generale potrebbe essere sbagliata.
"Tutte le nostre idee in astronomia sono basate su questa estrapolazione davvero enorme, quindi tutto ciò che possiamo fare per vedere se questo è giusto o no su queste scale è semplicemente enormemente importante", ha detto Gunn. "Aggiunge un altro mattone alla fondazione che sta alla base di ciò che facciamo."
GR è una delle due teorie fondamentali alla base di tutta l'astrofisica e la cosmologia contemporanee (l'altra è il Modello standard della fisica delle particelle, una teoria quantistica); spiega tutto, dai buchi neri al Big Bang.
Negli ultimi anni sono state proposte diverse alternative alla relatività generale. Queste teorie della gravità modificate si discostano dalla relatività generale su larga scala per eludere la necessità di energia oscura, materia oscura o entrambi. Ma poiché queste teorie sono state progettate per abbinare le previsioni della relatività generale sulla storia dell'espansione dell'universo, un fattore che è centrale per l'attuale lavoro cosmologico, è diventato cruciale sapere quale teoria è corretta, o almeno rappresenta la realtà come meglio può essere approssimato.
"Sapevamo che dovevamo esaminare la struttura su larga scala dell'universo e la crescita di strutture più piccole che lo compongono nel tempo per scoprirlo", ha detto Reyes. Il team ha utilizzato i dati dello Sloan Digital Sky Survey (SDSS), un progetto telescopico a più istituzioni a lungo termine che mappava il cielo per determinare la posizione e la luminosità di diverse centinaia di milioni di galassie e quasar.
Calcolando il raggruppamento di queste galassie, che si estendono per quasi un terzo del cammino verso il margine dell'universo, e analizzando le loro velocità e distorsioni dal materiale che interviene - a causa del debole riflesso, principalmente della materia oscura - i ricercatori hanno dimostrato che quella di Einstein la teoria spiega l'universo vicino meglio delle teorie alternative della gravità.
Gli scienziati di Princeton hanno studiato gli effetti della gravità sulle galassie SDSS e sui gruppi di galassie per lunghi periodi di tempo. Hanno osservato come questa forza fondamentale spinge le galassie a raggrupparsi in più grandi raccolte di galassie e come modella l'espansione dell'universo.
Criticamente, poiché la relatività richiede che la curvatura dello spazio sia uguale alla curvatura del tempo, i ricercatori hanno potuto calcolare se la luce è stata influenzata in egual misura da entrambi, come dovrebbe essere se la relatività generale è vera.
"Questa è la prima volta che questo test è stato eseguito, quindi è una prova del concetto", ha detto Mandelbaum. “Ci sono altri sondaggi astronomici in programma per i prossimi anni. Ora che sappiamo che questo test funziona, saremo in grado di utilizzarlo con dati migliori che saranno presto disponibili per limitare più strettamente la teoria della gravità. "
Rafforzare i poteri predittivi di GR può aiutare gli scienziati a capire meglio se gli attuali modelli dell'universo hanno senso, hanno detto gli scienziati.
"Qualsiasi test che possiamo fare per costruire la nostra fiducia nell'applicare queste meravigliose cose teoriche ma che non sono state testate su queste scale è molto importante", ha detto Gunn. “Sicuramente aiuta quando stai cercando di fare cose complicate per capire i fondamenti. E questa è una cosa molto, molto, molto fondamentale. "
"La cosa bella dell'andare sulla scala cosmologica è che possiamo testare qualsiasi teoria della gravità completa e alternativa, perché dovrebbe prevedere le cose che osserviamo", ha detto il coautore Uros Seljak, professore di fisica e di astronomia presso UC Berkeley e uno scienziato della facoltà del Lawrence Berkeley National Laboratory che è attualmente in congedo presso l'Istituto di fisica teorica dell'Università di Zurigo. "Quelle teorie alternative che non richiedono la materia oscura non superano questi test."
Fonti: "Gli scienziati di Princeton sostengono che la teoria di Einstein si applica oltre il sistema solare" (Università di Princeton), "Studio convalida la relatività generale su scala cosmica, esistenza di materia oscura" (Università della California Berkeley), "Conferma della relatività generale su larga scala da deboli velocità di lente e galassia ”(Natura, prestampa arXiv)
