Dacă întrebi un astrofizician care este cel mai mare puzzle al Universului actual, unul dintre cele mai comune răspunsuri pe care le-ai putea primi este: materia neagră și energia neagră. Acel ceva din care este compus tot ceea ce știm că există pe Terra, atomii, care și ei sunt compuși din alte particule fundamentale, reprezintă doar 5% din bugetul energiei cosmice. Restul de 95% al energiei Universului se află în aceste două forme – energia neagră și materia neagră – care nu au fost niciodată direct detectate, sau – mai există posibilitatea ca ceva să nu fie în regulă cu imaginea noastră actuală despre Univers.
Aceste alternative au fost explorate, de asemenea, cu multe opțiuni care ar putea conduce spre consecințe fizice ușor diferite. Având în vedere primele observații ale unei fuziuni de stele neutronice și semnalele atât luminoase, cât și în gama undelor gravitaționale, multe dintre aceste opțiuni au fost testate, iar atât materia neagră, cât și energia neagră … au supraviețuit acestor teste.
În astrofizică și cosmologie există câteva dileme pe care energia neagră și materia neagră au fost concepute pentru a le rezolva. Pentru materia neagră, aceste dileme sunt relaționate cu formarea galaxiilor, rotația și clusterizarea comună a acestora; pentru energia neagră, aceste dileme se referă la rata expansiunii universului și evoluția acestuia de-a lungul timpului.
Dacă s-ar aplica o modificare adecvată teoriei gravitației, unele dintre aceste variabile ar putea fi schimbate, fără a introduce în ecuație materia întunecată și/sau energia neagră. Speranța celor ce lucrează la aceste alternative este că vor identifica modificarea corectă – una care face predicții noi, distincte de cele ale materiei întunecate și energiei negre, care ar putea fi testate.
Modificarea însă a gravitației, chiar și numai prin cuantificarea diferite a energiei și materiei negre, este un joc ce trebuie abordat cu grijă. Teoria relativității generale a lui Einstein a fost deja testată destul de riguros, iar predicțiile sale s-au confirmat de fiecare dată. Dacă modificăm gravitația, și teoria ar fi alterată, așa încât trebuie chibzuit și manageriat situația în așa fel încât să nu contravină observațiilor și măsurătorilor realizate deja. Multe opțiunile existente au, din acest motiv, caracteristici de aventură în ceva care nu a fost testat foarte bine: ona una dintre acestea permite variații ale vitezei gravitației. În teoria lui Einstein, viteza gravitației este egală cu cea a luminii, exact, în toate situațiile. Dar în multe alternative, această presupunere a fost optimizată.
Energia neagră este în general asumată ca și constantă cosmologică, în care viteza luminii și viteza gravitației sunt ambele constante (și egale una cu cealaltă). Formulările alternative propun ceva ușor mai complex: un câmp al scărilor sau un set adițional de câmpuri. Aceasta este o caracteristică generică a modificărilor în modele, cum ar fi covarianta Galileon, gravitația masivă, teoriile Aether – Einstein, TeVeS și gravitația Horava.
Multe scenarii, depinzând de modul în care câmpul scalar interacționează cu câmpul gravitațional standard al Relativității Generale, conferă o viteză a gravitației care este fie diferită de viteza luminii, fie variază în timp. Dar faptul că acele raze gamma și unde gravitaționale produse de fuziunea evenimentului neutronic GW170817 au ajuns la noi cu o diferență de 1,7 secunde, între ele înseamnă că viteza gravitației trebuie să fie egală cu viteza luminii la mai bine de o parte din 1015.
În consecință, o serie de alternative la relativitatea generală standard – cu energia neagră și materia neagră – devin caduce. Faptul că diferența în timpul de sosire este de numai 1,7 secunde, între un semnal luminos și un semnal de undă gravitațională, ținând cont că sursa se află la o distanță de 130 milioane de ani lumină, această diferență este atât de mică încât viteza gravitației nu poate varia în timp și nici nu poate fi sistematic mai mare sau mai mică de viteza luminii. Dacă adăugăm un câmp scalar unui tensor al teoriei gravitației, obținem două efecte generice:
- Există, general, un termen de exces de viteză al tensorului, care modifică (crește) propagarea vitezei undelor gravitaționale.
- Scara masei Planck efective se schimbă de-a lungul timpurilor cosmice, care alterează amortizarea semnalului undelor gravitaționale, pe măsură ce universul continuă expansiunea.
Faptul că viteza luminii și cea a gravitației sunt egale cu atât de mare precizie, înseamnă că toate teoriile care afectează acest tip de modificări sunt constrânse și cele mai multe dintre modelele alternative devin de domeniul viitorului imposibil.
Pentru materia întunecată, tentativele de a modifica gravitația generează efecte chiar mai negative. Cele mai multe modificări conduc la schimbarea legii forței între obiectele masive, ceea ce alterează potențialul gravitațional în regiunile spațiu-timpului cu masă. Când obiectele călătoresc cu viteza luminii, precum fotonii sau undele gravitaționale, trecând prin spațiu, acele semnale sunt întârziate, conform regulilor Relativității Generale: întârzierea de timp Shapiro. De la o distanță de 130 milioane de ani lumină, cantitatea de materie ce se suprapune întârzie acel semnal cu aproximativ trei ani, dacă imaginea standard asupra materiei negre este corectă. Însă, dacă modificăm gravitația într-un mod anume, pentru a scăpa de povara materiei negre, se produce o schimbare majoră a proprietăților de propagare a undelor gravitaționale prin spațiu.
Teoriile ce suprimă gravitația modificată de materia neagră, precum Bekenstein’s TeVeS sau Moffat’s MoG/Scalar-Tensor-Vector, susțin proprietatea undelor gravitaționale de a se propaga diferit pe anumite scări geodezice – căi diferite ale spațiu-timpului – față de cele urmate de fotoni și neutrini. Pe scurt, undele gravitaționale ar trebui să călătorească de-a lungul căilor definite de masa efectivă: materia normală plus efectele care emulează materia întunecată. Asta ar conduce la o diferență în timpul de sosire ale semnalelor – fotoni și unde gravitaționale – de aproximativ 800 zile, în loc de cele 1,7 secunde observate. Așadar, scenariile cosmologice ce nu includ materia neagră devin caduce.
Când undele gravitaționale și fotonii (unde electromagnetice) trec prin spațiu, ele sunt afectate de curbura și expansiunea spațiului în exact același mod. Acesta este adevărul, atâta timp cât relativitatea generală va fi teoria acceptată a gravitației. Dacă modificăm această teorie, încercând să eliminăm nevoia de materie neagră și energie neagră, spre exemplu – undele gravitaționale sunt afectate numai de materie/parte a materiei, în timp ce efectele modificării ating fotonii și alte particule. Pentru că undele gravitaționale și semnalele luminoase provenite din fuziunea neutronică stelară ajung cam în același timp, ele călătoresc cu viteze similare prin spațiu și suferă întârzieri ale propagării, în cantități similare. Această clarificare este de ajuns pentru a confirma modelul preexistent.
Mai sunt însă, câteva modele conturate, care ar putea păstra speranța gravitației modificate, cum ar fi teoriile gravitației non-locale (unde efectele gravitaționale și locațiile maselor nu se potrivesc) sau teoriile în care undele gravitaționale și undele electromagnetice se supun unor seturi diferite de reguli. Dar chiar și aceste idei sunt sever constrânse de către noile observații gravitaționale și necesită realizarea unor mimici foarte apropiate de cele ale materiei negre și energiei negre, pentru a supraviețui. Gravitația modificată nu este încă de domeniul trecutului, dar multe dintre marile sale speranțe au fost ruinate.
Einstein, cu teoria sa în original, în formă nemodificată, rămâne de bază.
By Ethan Siegel; Sursa: http://www.medium.com
Traducere și adaptare: Ciprian Crișan
