תיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין, שהתפרסמה בשנת 1915, עברה את המבחן הגדול הראשון שלה רק כמה שנים אחר כך, כאשר נצפה סטיה הכבידה החזויה של האור העוברת ליד השמש במהלך ליקוי חמה של 1919.
בשנת 1960, GR עברה את המבחן הגדול הראשון שלה במעבדה, כאן על כדור הארץ; הניסוי פאונד-רבקה. ובתשעה העשורים שחלפו מאז פרסומה, GR עברה מבחן אחרי מבחן אחרי מבחן, תמיד עם צבעים מעופפים (עיין בסקירה זו לסיכום מצוין).
אולם הבדיקות היו תמיד בתוך מערכת השמש, או באופן עקיף אחר.
כעת צוות בראשות מדעני אוניברסיטת פרינסטון בדק את GR בכדי לבדוק אם זה נכון במדדים קוסמיים. ואחרי שנתיים של ניתוח נתונים אסטרונומיים, הגיעו המדענים למסקנה כי התיאוריה של איינשטיין עובדת גם כן במרחקים גדולים כמו באזורים מרחביים יותר מקומיים.
ניתוח המדענים של למעלה מ- 70,000 גלקסיות מוכיח כי היקום - לפחות עד מרחק של 3.5 מיליארד שנות אור מכדור הארץ - משחק על פי הכללים שקבע איינשטיין בתיאוריה המפורסמת שלו. בעוד GR התקבלה על ידי הקהילה המדעית במשך למעלה מתשעה עשורים, עד כה איש לא בחן את התיאוריה בצורה כה יסודית ואיתנה במרחקים ומאזניים החורגים מעבר למערכת השמש.
ריינבל רייס, סטודנטית לתואר שני בפרינסטון במחלקה למדעי האסטרופיזיקה, יחד עם מחברים משותפים רחל מנדלבאום, חוקרת מחקרית, וג'יימס גאן, הפרופסור לאסטרונומיה של יוג'ין היגינס, תיארו את הערכתם במהדורת הטבע בטבע במארס.
מדענים אחרים שמשתפים פעולה בעיתון כוללים את טוביאס בולדאוף, לוקאס לומבריזר ורוברט סמית מאוניברסיטת ציריך ואורוס סלג'ק מאוניברסיטת קליפורניה-ברקלי.
התוצאות חשובות, הם אמרו, מכיוון שהם מגנים את התיאוריות העכשוויות המסבירות את צורת היקום ואת כיוונו, כולל רעיונות על אנרגיה אפלה, ומפיזות כמה רמזים מהניסויים האחרונים האחרים כי תורת היחסות הכללית עשויה להיות שגויה.
"כל הרעיונות שלנו באסטרונומיה מבוססים על אקסטרפולציה עצומה באמת, ולכן כל מה שאנחנו יכולים לעשות כדי לראות אם זה נכון או לא במאזניים האלה הוא פשוט חשוב מאוד", אמר גאן. "זה מוסיף לבנה נוספת לבסיס העומד בבסיס מה שאנחנו עושים."
GR הוא אחת, שתיים, תיאוריות ליבה העומדות בבסיס כל האסטרופיזיקה והקוסמולוגיה בת זמננו (השנייה היא המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, תיאוריה קוונטית); זה מסביר הכל, החל מחורים שחורים ועד המפץ הגדול.
בשנים האחרונות הוצעו מספר חלופות לתורת היחסות הכללית. תיאוריות הכובד המותנות הללו יוצאות מתורת היחסות הכללית במאזניים גדולים כדי לעקוף את הצורך באנרגיה אפלה, חומר אפל, או שניהם. אך מכיוון שתיאוריות אלה נועדו להתאים לתחזיות של תורת היחסות הכללית לגבי תולדות ההתפשטות של היקום, גורם שהוא מרכזי ביצירה הקוסמולוגית הנוכחית, הפך להיות מכריע לדעת איזו תיאוריה נכונה, או לפחות מייצגת את המציאות בצורה הטובה ביותר כמו ניתן לקירוב.
"ידענו שאנחנו צריכים להסתכל על המבנה הגדול בקנה מידה ובגידול של מבנים קטנים יותר המרכיבים אותו לאורך זמן כדי לגלות זאת", אמר רייס. הצוות השתמש בנתונים של Sloan Digital Sky Survey (SDSS), פרויקט טלסקופ רב-מוסדי ארוך טווח, הממפה את השמיים כדי לקבוע את המיקום והבהירות של כמה מאות מיליוני גלקסיות וקוואזרים.
על ידי חישוב אשכול הגלקסיות הללו, המשתרעות כמעט שליש מהדרך לקצה היקום, וניתוח מהירותן ועיוותן מחומר מתערב - בגלל עדשות חלשות, בעיקר על ידי חומר אפל - הראו החוקרים כי התיאוריה מסבירה את היקום הסמוך טוב יותר מתיאוריות הכבידה האלטרנטיביות.
מדעני פרינסטון בחנו את השפעות הכובד על גלקסיות SDSS ואשכולות גלקסיות לאורך תקופות זמן ארוכות. הם הבחינו כיצד כוח בסיסי זה מניע את הגלקסיות להתגבש באוספים גדולים יותר של גלקסיות וכיצד הוא מעצב את התפשטות היקום.
באופן ביקורתי, מכיוון שהיחסות קוראת לעקמת המרחב להיות שווה לעקמת הזמן, החוקרים יכלו לחשב אם האור הושפע בכמויות שוות על ידי שניהם, כמו שצריך להיות אם היחסות הכללית נכונה.
"זו הפעם הראשונה שבדיקה זו מבוצעת בכלל, כך שזו הוכחה למושג," אמר מנדלבאום. "ישנם סקרים אסטרונומיים אחרים המתוכננים בשנים הקרובות. כעת, לאחר שנדע כי הבדיקה הזו עובדת, נוכל להשתמש בה עם נתונים טובים יותר שיהיו זמינים בקרוב בכדי להגביל יותר את תורת הכובד. "
חיזוק הכוחות החיזוי של GR יכול לעזור למדענים להבין טוב יותר האם המודלים הנוכחיים של היקום הגיוניים, אמרו המדענים.
"כל מבחן שאנחנו יכולים לעשות בבניית הביטחון שלנו ביישום הדברים התיאורטיים היפים מאוד האלה, אך שלא נבדקו במאזניים האלה הוא חשוב מאוד," אמר גאן. "זה בהחלט עוזר כשאתה מנסה לעשות דברים מורכבים להבנת היסודות. וזה דבר מאוד מאוד מאוד בסיסי. "
"הדבר הנחמד בללכת לקנה המידה הקוסמולוגי הוא שנוכל לבחון כל תורת כוח משיכה אלטרנטיבית מלאה, מכיוון שהיא צריכה לחזות את הדברים שאנחנו רואים," אמר המחבר המשותף אורוס סלג'אק, פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת ברקלי. ומדען סגל במעבדה הלאומית לורנס ברקלי שנמצא כיום בחופשה במכון לפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת ציריך. "התיאוריות האלטרנטיביות שאינן דורשות חומר אפל נכשלות במבחנים הללו."
מקורות: "מדעני פרינסטון אומרים כי התיאוריה של איינשטיין חלה מעבר למערכת השמש" (אוניברסיטת פרינסטון), "המחקר מאמת תורת היחסות הכללית בקנה מידה קוסמי, קיום חומר אפל" (אוניברסיטת ברקלי בקליפורניה), "אישור תורת היחסות הכללית במאזניים גדולים מחלשים עדשות ומהירות גלקסיות ”(טבע, הדפסת טרום הדפסה ארקסיב)
