Sampla / léiriú de lionsa imtharraingthe, agus lúbadh solas réalta mar gheall ar mhais. Den chéad uair, baineadh úsáid as lionsa imtharraingthe chun teoiric Einstein ar Choibhneasacht Ghinearálta a thástáil i gcoinne na roghanna eile. (NASA / STScI)

Bhuaigh Einstein Arís! Gabhann Gaolmhaireacht Ghinearálta a Chéad Tástáil Extragalactic

Déanann an toradh bailíochtú ar Einstein ar scála iomlán nua, agus cruthaíonn sé fadhbanna tromchúiseacha do theoiricí malartacha modhnaithe domhantarraingthe.

I 1915, chuir Albert Einstein teoiric nua domhantarraingthe chun cinn: Gaolmhaireacht Ghinearálta. In ionad gach mais sa Cruinne a shroicheadh ​​láithreach chuig gach mais eile agus fórsa tarraingteach a fheidhmiú, bheadh ​​an coincheap nua de fhabraic chosmaí - am spáis - ag cuar mar fhreagairt ar ábhar agus ar fhuinneamh. De réir mar a bhog an t-ábhar agus an fuinneamh tríd an bhfabraic spáis seo, chuarfadh an fhabraic mar fhreagairt: ní go gasta gan teorainn, ach ar luas an tsolais. Agus inseofaí don ábhar agus don fhuinneamh, agus é ag bogadh tríd an spás cuartha seo, conas gluaiseacht de réir fhabraic an spáis féin.

Rinneadh tástálacha eolaíocha gan áireamh ar theoiric ghinearálta Einstein maidir le coibhneas, ag cur an smaoineamh faoi réir cuid de na srianta is déine a fuair an chine daonna riamh. Ba é an chéad réiteach a bhí ag Einstein ná an teorainn réimse lag timpeall ar mhais amháin, cosúil leis an nGrian; d’éirigh go hiontach leis na torthaí seo ar ár nGrianchóras. (Comhoibriú eolaíoch LIGO / T. Pyle / Caltech / MIT)

Cuireadh an pictiúr réabhlóideach seo ar a thástáil ar an Domhan, sa spás, agus cibé áit a bhfuil muid in ann breathnú. Ach is é an t-aon áit ar sheol muid misin riamh atá in ann na tástálacha seo a dhéanamh inár gCóras Gréine féin; teastaíonn tacar toimhdí ó gach tástáil eile. In ainneoin ár dtomhais uile ar réaltraí, braislí, lionsa imtharraingthe, agus struchtúr mórscála na Cruinne, níor éirigh linn riamh Gaolmhaireacht Ghinearálta a thástáil go díreach, gan athbhrí, ar scálaí níos faide ná an Grianchóras.

Bhí an iomarca athróg mearbhall ann, cosúil le hábhar dorcha, chun a fháil amach an bhfuil Gaolmhaireacht Ghinearálta ceart agus an bhfuil ábhar dorcha fíor i ndáiríre. Go dtí go bhféadfaimis tástáil dhíreach gan athbhrí a dhéanamh ar Relativity Ginearálta ar scálaí réaltrach-nó-níos mó, beidh sé dodhéanta roghanna malartacha domhantarraingthe modhnaithe a chur as an áireamh.

Na cuair bhreathnaithe (pointí dubha) mar aon leis an ngnáthábhar iomlán (cuar gorm) agus comhpháirteanna éagsúla réaltaí agus gáis a chuireann le cuair rothlaithe réaltraí. Is féidir leis an domhantarraingt modhnaithe agus an t-ábhar dorcha na cuair rothlaithe seo a mhíniú, ach má fhíoraítear go bhfuil Gaolmhaireacht Ghinearálta ag obair go maith ar scálaí réaltracha, caithfidh roghanna domhantarraingthe modhnaithe a gcomhsheasmhacht a thaispeáint freisin. (An Gaol Luasghéarú Gatha i Réaltraí le Tacaíocht Rothlach, Stacy McGaugh, Federico Lelli agus Jim Schombert, 2016)

D’fhonn Gaolmhaireacht Ghinearálta a thástáil mar theoiric domhantarraingthe, ní mór duit córas a aimsiú ina bhfuil an comhartha a fheicfidh tú difriúil ó theoiricí domhantarraingthe eile. Caithfidh teoiric Newton a bheith san áireamh anseo ar a laghad, ach, go hidéalach, ba cheart go gcuimseodh sé teoiricí malartacha domhantarraingthe a dhéanann tuar ar leith ó theoiric Einstein. Go clasaiceach, bhí an chéad tástáil den sórt sin a rinne é seo díreach ar imeall na Gréine: áit a bhfuil an domhantarraingt is láidre inár nGrianchóras.

De réir mar a théann solas ó réalta i bhfad i gcéin gar do ghéag na Gréine, ba chóir go lúbfadh sé le méid an-sonrach, mar a éilíonn teoiric Einstein. Tá an méid dhá oiread níos mó ná teoiric Newton, agus fíoraíodh é le linn eclipse gréine iomlán 1919. Ó shin i leith, rinneadh roinnt tástálacha breise go beacht. Gach uair, rinneadh teoiric Einstein a bhailíochtú, agus tagann roghanna eile chun cinn. Ach ar scálaí níos mó ná an Grianchóras, bhí na torthaí neamhchinntitheach i gcónaí.

Thaispeáin torthaí expedition Eddington 1919, go cinntitheach, go ndearna Teoiric Ghinearálta na Coibhneasachta cur síos ar lúbadh solas na réalta timpeall ar réada ollmhóra, ag scriosadh pictiúr Newtonian. Ba é seo an chéad deimhniú breathnóireachta ar theoiric domhantarraingthe Einstein. (The Illustrated London News, 1919)

Go dtí inniu. Ghlacamar an chéad chéim sin i ndeireadh na dála le Gaolmhaireacht Ghinearálta a fhíorú ar na scálaí móra cosmacha sin, áit a mbíonn domhantarraingt an t-aon fhórsa atá tábhachtach go minic. Déanann gach réaltra nó braisle réaltra sa Cruinne, mar gheall ar dhomhantarraingt, an spás atá ann a shaobhadh. Mar thoradh air sin, faigheann an solas ó fhoinsí cúlra, i gcoibhneas lenár líne radhairc:

  • sínte,
  • shaobhadh,
  • formhéadaithe,
  • agus is féidir iad a bheith le feiceáil in iliomad íomhánna.

Léiríonn an éifeacht seo a bhaineann le lionsa imtharraingthe, a tharlaíonn in éagsúlachtaí láidre agus laga araon, an dóchas is mó atá againn tástáil a dhéanamh ar Choibhneasacht Ghinearálta ar scálaí níos mó ná an Grianchóras. Den chéad uair, rinne foireann eolaithe faoi stiúir Tom Collett tástáil bheacht eachtardhomhanda ar Relativity Ginearálta, agus rith teoiric Einstein le dathanna eitilte.

Sé shampla de na lionsaí imtharraingthe láidre a d'aimsigh agus a íomháíodh an Teileascóp Spáis Hubble. D’fhéadfadh na áirsí agus na struchtúir cosúil le fáinne Gaolmhaireacht Ghinearálta a iniúchadh, dá mbeadh dáileadh maise an lionsa féin ar eolas. (NASA, ESA, C. Faure (Zentrum für Astronomie, Ollscoil Heidelberg) agus JP Kneib (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille))

Dá mbeadh saotharlann idéalach uait, roghnófá réaltra ollmhór amháin a ghníomhaigh mar lionsa láidir. Bheadh ​​an réaltra cóngarach go leor, ionas go bhféadfaimis araon an dáileadh maise (agus gluaiseachtaí stellar aonair) a réiteach istigh ann. Ina theannta sin, ní dhéanfadh leathnú na Cruinne difear réasúnta do réaltra in aice láimhe. Agus ar deireadh, thaispeánfadh sé na áirsí tréith agus na híomhánna iomadúla arb iad is sainairíonna lionsa láidir. Ina bpáipéar, fuair foireann Collett et al., Ag baint úsáide as an Teileascóp Spáis Hubble, réaltra a chomhlíon na critéir seo go léir: ESO 325-G004, ar a dtugtar E325 go gairid.

Mar a fheiceann tú, tá Fáinne álainn Einstein sa réaltra, ceann de na sínithe cinnte ar chomhartha láidir lionsa.

Íomhá ilchodach daite de ESO325-G004. Sanntar bealaí gorm, glas agus dearg don íomháú F475W, F606W, agus F814W HST. Taispeánann an t-inset comhdhéanamh F475W agus F814W de áirsí na foinse cúlra lionsa tar éis solas lionsa an tulra a dhealú. Tá barraí scála i soicindí stua. (Tástáil bheacht eachtardhomhanda ar Relativity Ginearálta, TE Collett et al., Science, 360, 6395 (2018))

Tá an lionsa féin cóngarach, gan ach 500 milliún solasbhliain ann. Tá an réaltra cúlra a shíneann isteach i bhfáinne, áfach, ag taisteal le breis agus 10 mbilliún bliain sular shroich sé ár súile. De bharr go bhfuil an lionsa chomh cóngarach sin is féidir linn, le réadlann cosúil le Hubble nó teileascóp mór ar an talamh, tomhais a dhéanamh ar mheánghluaiseachtaí na réaltaí i réigiúin atá thart ar 400 solasbhliain ar leithead istigh ann. Leis na tomhais sin, is féidir linn srianta an-docht a chur ar an gcaoi a ndéantar an mhais a dháileadh i 3D taobh istigh de E325.

Ina theannta sin, toisc go bhfuil an fáinne le feiceáil sa chuid istigh den réaltra, níl tábhacht le hábhar dorcha; is é an gnáth-ábhar an ga beag seo. Agus chun deireadh a chur leis, tá áirsí sínte le feiceáil in E325, rud a ligeann dúinn srian a chur le mais phróifíl an lionsa. Is é sin le rá, is í an tsaotharlann foirfe í chun bailíocht na Gaolmhaireachta Ginearálta a thástáil ar scála réaltra aonair.

Nuair a théann tonnta éadroma, imtharraingthe, nó aon cháithnín gan mhais trí réigiún spáis ina bhfuil cuid mhór ábhar, déantar an spás sin a shaobhadh agus lúbann an cosán solais, ag cruthú moille san am teachta agus saobhadh ar an réaltra cúlra. Mar gheall ar chomh gar agus atá an Domhan don réaltra E325, is féidir é seo a úsáid mar shaotharlann chun Gaolmhaireacht Ghinearálta a thástáil mar nach raibh riamh cheana. (ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.)

Is é an bealach a dhéanann tú an tástáil ná comparáid a dhéanamh idir dhá acmhainneacht dhifriúla atá le feiceáil i méadracht an ama spáis: acmhainneacht imtharraingthe Newtonian agus acmhainneacht cuaire. Maidir le Gaolmhaireacht Ghinearálta, tá an dá acmhainneacht seo comhionann, mar sin tá a gcóimheas, ar a dtugtar γ, cothrom le 1. I go leor teoiricí malartacha, áfach, tá cóimheas an dá acmhainn ag brath ar scála, mar sin bheimis ag súil le rud éigin difriúil a urramú. ó γ = 1. Go leor, tá cóimheas atá difriúil ó γ = 1 ag gach samhail neamhfhuinnimh de chuid na Cruinne (mar aon le roinnt samhlacha gan ábhar dorcha).

Mar sin más féidir linn an paraiméadar seo a thomhas ó réaltra amháin, cosúil le E325, beidh an chéad tomhas láidir againn ar cibé an bhfuil nó nach bhfuil Gaolmhaireacht Ghinearálta, ar scálaí níos mó ná an Grianchóras.

Taispeánann léiriú de lionsa imtharraingthe an chaoi a ndéantar réaltraí cúlra - nó aon chosán solais - a shaobhadh trí mhais idirghabhála a bheith ann, mar bhraisle réaltra tulra. Más féidir linn mais-phróifíl an lionsa a athchruthú le neamhchinnteacht an-íseal, is féidir linn coibhneasacht Einstein a chur sa tástáil. (NASA / ESA)

Tá ionstraim ag an Teileascóp an-mhór, atá mar chuid de Réadlann Deiscirt na hEorpa, ar a dtugtar MUSE, don Explorer Speictreascópach Il-Aonad. Féadann MUSE sonraí speictreascópacha a réitítear go spásúil a fháil ar fud an lionsa, áit a ndéantar solas a bhriseadh suas ina tonnfhaid aonair agus a anailísiú. Ón bhfaisnéis sin, is féidir leat a bhaint amach cé chomh tapa agus atá na réaltaí ag bogadh i gcoibhneas lena chéile ar scálaí síos go dtí díreach 100 peirsil, atá 20 uair chomh breá le méid an fháinne Einstein.

An réigiún lárnach, réitithe is doichte den réaltra lionsa leis an solas ón réaltra tulra (an ceann a fheidhmíonn cosúil leis an lionsa) a dhealú. Ligeann réiteach na hionstraime MUSE thart ar 20 picteilín sonraí a fheistiú ar fud trastomhas an chiorcail seo. (Tástáil bheacht eachtardhomhanda ar Relativity Ginearálta, TE Collett et al., Science, 360, 6395 (2018))

Ó na sonraí MUSE agus Hubble go léir, ní amháin gur féidir leo mais dhinimiciúil an réaltra E325 a athchruthú, is féidir leo samhail is fearr a oireann d’airíonna éagsúla an réaltra a dhéanamh. Cuimsíonn sé seo cóimheas mais-go-solas do na réaltaí, Haló ábhar dorcha, agus poll dubh lárnach, sármhaith. Dúradh go léir, nuair a thuigeann siad na paraiméadair eile, is féidir leo an chuid eile de na sonraí a chur i gcomparáid lena chéile chun luach is fearr a fháil do γ, agus féachaint an bhfuil sé cothrom le 1, mar a thuar Gaolmhaireacht Ghinearálta, nó difriúil.

An dlús dóchúlachta coibhneasta do γ tar éis cuntas a thabhairt ar neamhchinnteachtaí staitistiúla agus córasacha. Ní thaispeántar na hearráidí staitistiúla ach i glas; taispeántar suim na gcórasatice sna dathanna eile. Fiú amháin leis an éiginnteacht sa leabharlann speictrim stellar, dearbhaítear go láidir Gaolmhaireacht Ghinearálta Einstein. (Tástáil bheacht eachtardhomhanda ar Relativity Ginearálta, TE Collett et al., Science, 360, 6395 (2018))

Mar sin, cad é an toradh mór? Tugann a n-oiriúnú is fearr luach γ = 0.978, le neamhchinnteacht staitistiúil (muinín 95%) de ± 0.03. In ionad scálaí de chodán beag bídeach de bhliain éadrom, mar a fhaighimid sa Ghrianchóras, leathnaíonn an tástáil seo bailíocht an Choibhneasachta Ghinearálta go scála nach bhfacthas riamh roimhe: beagnach 7,000 solasbhliain. Fiú nuair a chuimsíonn siad na neamhchinnteachtaí córasacha go léir a d’fhéadfadh a bheith ann, a bhfuil luasanna na ngluaiseachtaí stellar is mó a mbíonn a samhail dhinimiciúil bunaithe orthu, tagann siad ar an gconclúid go bhfuil γ = 0.97 ± 0.09. De réir na neamhchinnteachtaí a shamhlaítear, dearbhaíodh Gaolmhaireacht Ghinearálta.

Fáinne Einstein i gcruth crú capaill, díreach gearr ón ailíniú foirfe atá riachtanach le haghaidh fáinne 360 ​​céim. Níor úsáideadh córais mar seo riamh chun srian láidir a chur ar bhailíocht na coibhneasachta go dtí seo, ach ba cheart go gcuirfeadh an toradh ar ár gcumas srian a chur ar roghanna eile seachas domhantarraingt níos mó. (NASA / ESA agus Hubble)

Den chéad uair, bhíomar in ann tástáil dhíreach a dhéanamh ar Relativity Ginearálta lasmuigh dár nGrianchóras agus torthaí soladacha, faisnéiseach a fháil. Deimhníonn an cóimheas idir acmhainneacht Newtonian agus acmhainneacht cuaire, a éilíonn coibhneasacht le ceann amháin ach i gcás ina bhfuil roghanna malartacha difriúil, an méid a thuar Gaolmhaireacht Ghinearálta. Dá bhrí sin, ní féidir le dialltaí móra ó dhomhantarraingt Einstein tarlú ar scálaí níos lú ná cúpla míle solasbhliain, nó ar mhaiseanna scála réaltra aonair. Más mian leat leathnú luathaithe na Cruinne a mhíniú, ní féidir leat a rá go simplí nach dtaitníonn fuinneamh dorcha leat agus domhantarraingt Einstein a chaitheamh amach. Den chéad uair, más mian linn domhantarraingt Einstein ar scálaí réaltrach-nó-níos mó a mhodhnú, tá srian tábhachtach againn le háireamh.

Tá Starts With A Bang ar Forbes anois, agus athfhoilsithe ar Meán a bhuíochas lenár lucht tacaíochta Patreon. Tá dhá leabhar ag Ethan, Beyond The Galaxy, agus Treknology: The Science of Star Trek ó Tricorders go Warp Drive.