GW170817: az alternatív gravitáció-elméletek kudarca

3901

Itt a csillagaszat.hu-n beszámoltunk már az első gravitációs hullámai és fényfelvillanása révén is észlelt esemény, a GW170817 számos újdonságot jelentő vonatkozásáról. A sort most az esemény egy, a kozmológiai világképünkre gyakorolt fontos hatásának a bemutatásával folytatjuk.

A standard kozmológiai modell értelmében a világegyetem tömegének csupán 5%-át teszi ki barionos anyag. A legismertebb barionok a protonok és a neutronok. Ez az az anyagfajta, ami az általunk ismert objektumokat mind felépíti. A világegyetem látható, fénylő anyaga mind ilyen. Nem minden barionos anyag látható, ám néhány hete jelentősen nőtt az ismert barionos anyag mennyisége. A maradék 95% vagy sötét anyag és sötét energia, amelyek létezését azonban ez idáig nem sikerült közvetlenül kimutatnunk, vagy valami nagy baj van a jelenlegi kozmológiai világképünkkel. A sötét anyagra a galaxisok létrejöttének, csoportosulásainak és forgásuknak a magyarázatához van szükség. A sötét energia léte pedig a világegyetem tágulásának hosszú távú fejlődését magyarázza meg.

A világegyetem nagy skálájú szerkezete egy modellszámítás szerint. A szimulációk csak a megfelelő arányú sötét anyag és sötét energia feltételezésével mutatnak egyezést az univerzum ténylegesen megfigyelt szerkezetével. Forrás: Millennium-XXL Project

Az eddig megfoghatatlannak bizonyult sötét anyag és sötét energia érthető módon sok gondolkodót zavar, és sokak fantáziáját mozgatta meg a probléma. Számos fizikus állt már elő a kozmológia fősodrától eltérő magyarázattal, olyan alternatív kozmológiával, amelyben nincs szükség e két láthatatlan tömegformára a világunkban megfigyelhető jelenségek magyarázatához. A GW170817 megfigyelése azonban végzetes csapást mért lényegében az összes ma létező alternatív kozmológiai elméletre.

Világunk működését alapvetően meghatározza a négy alapvető fizikai kölcsönhatás természete. Ezek közül a gyakorlatban egyedül a gravitációs kölcsönhatás hatótávolsága kozmológiai léptékű, tehát ennek a kölcsönhatásnak a „buherálásával” állíthatóak fel olyan alternatív kozmológiák, amelyekben nincs szükség sötét anyagra és sötét energiára. A gravitációt Einstein általános relativitáselmélete írja le. Ez egy rendkívül alaposan tesztelt elmélet, amely eddig minden próbát kiállt. Feltétlenül olyan alternatív gravitációs elméletre van szükség, amely a kitűzött cél, a sötét anyag és sötét energia kiiktatása mellett az összes eddigi megfigyelésünkkel is összhangban van. A Naprendszer 4,6 milliárd éves fennállása például egy ilyen alapvető megfigyelés a sok közül. „Egyáltalán nem könnyű olyan alternatív gravitációs elméletet felállítani, amelyik gyorsulva tágítja a világegyetemet, ugyanakkor nem zilálja szét a Naprendszert.” – jegyzi meg Tessa Baker, az Oxfordi Egyetem kozmológusa, a témát tárgyaló számos friss szakcikk egyikének a szerzője [5].

Végső soron a gravitáció természetének egyetlen olyan vonatkozása maradt, amelyiket ez idáig nem tudtak a kutatók megfelelően tesztelni: a gravitáció terjedési sebessége. Ez Einstein elmélete értelmében mindig és mindenhol pontosan megegyezik a fénysebességgel. Az alternatív kozmológiákban ez az egyezés nem áll fenn.

Ahogyan beszámoltunk róla, a GW170817 esemény egy gravitációs hullám megfigyelésével vette kezdetét, ezt 1,7 másodperccel követte egy gammakitörés, vagyis elektromágneses hullám észlelése az égbolt ugyanazon tájékáról. Az eseményt két egymásba spirálozó neutroncsillag összeütközése váltotta ki, tőlünk kb. 130 millió fényév távolságra. A gravitációs és elektromágneses hullámok tehát 130 millió évig utaztak, míg elértek hozzánk – mindössze 1,7 másodperc időkülönbséggel. Ez a rendkívül csekély eltérés rámutat, hogy a gravitációs és elektromágneses hullámok terjedési sebességének relatív eltérése kevesebb mint 1:1015.

Az egész eseménynek ez az egyetlen apró részlete tehát azt jelenti, hogy a kétféle hullám terjedési sebessége között nincs jelentős szisztematikus eltérés, továbbá a gravitáció terjedési sebessége az idővel sem változik. Ez a következtetés pedig kizárja az összes alternatív kozmológiát, amelyek a gravitáció terjedési sebességének “piszkálásán” alapulnak. Néhány alternatív elmélet például 800 napos eltérést jelzett volna előre.

Albert Einstein általános relativitáselmélete ma egy újabb próbát kiállva tovább erősödött. A sötét anyag és sötét energia trónfosztására tett kísérletek pedig ez ideig mind sikertelennek bizonyultak.

Források:
ScienceNews
Forbes

A kérdést feldolgozó szakcikkek:
[1] Paolo Creminelli, Filippo Vernizzi „Dark Energy after GW170817”, 2017. október 16., arXiv:1710.05877
[2] Jeremy Sakstein, Bhuvnesh Jain „Implications of the Neutron Star Merger GW170817 for Cosmological Scalar-Tensor Theories”, 2017. október 16., arXiv:1710.05893
[3] Jose María Ezquiaga, Miguel Zumalacárregui „Dark Energy after GW170817”, 2017. október 16., arXiv:1710.05901
[4] Sibel Boran et al. „GW170817 Falsifies Dark Matter Emulators”, 2017. október 16., arXiv:1710.06168
[5] Tessa Baker et al. „Strong constraints on cosmological gravity from GW170817 and GRB 170817A”, 2017. október 16., arXiv:1710.06394

Hozzászólás

hozzászólás