Diterbitkan pada tahun 1915, teori relativitas umum (GR) Einstein lulus ujian besar pertamanya hanya beberapa tahun kemudian, ketika defleksi gravitasi yang diprediksi lewat cahaya di dekat Matahari diamati selama gerhana matahari 1919.
Pada tahun 1960, GR lulus ujian besar pertamanya di laboratorium, di sini di Bumi; percobaan Pound-Rebka. Dan selama lebih dari sembilan dekade sejak diterbitkan, GR telah lulus ujian demi ujian, selalu dengan warna-warna yang menakjubkan (lihat ulasan ini untuk ringkasan yang luar biasa).
Tetapi tes selalu dalam tata surya, atau tidak langsung.
Sekarang sebuah tim yang dipimpin oleh para ilmuwan Universitas Princeton telah menguji GR untuk melihat apakah itu berlaku pada skala kosmik. Dan, setelah dua tahun menganalisis data astronomi, para ilmuwan telah menyimpulkan bahwa teori Einstein bekerja dengan baik dalam jarak yang luas seperti di daerah ruang angkasa yang lebih lokal.
Analisis para ilmuwan terhadap lebih dari 70.000 galaksi menunjukkan bahwa alam semesta - setidaknya hingga jarak 3,5 miliar tahun cahaya dari Bumi - dimainkan oleh aturan yang ditetapkan oleh Einstein dalam teorinya yang terkenal. Sementara GR telah diterima oleh komunitas ilmiah selama lebih dari sembilan dekade, sampai sekarang tidak ada yang menguji teori secara menyeluruh dan kuat pada jarak dan skala yang jauh melampaui tata surya.
Reinabelle Reyes, seorang mahasiswa pascasarjana Princeton di Departemen Ilmu Pengetahuan Astrofisika, bersama dengan rekan penulis Rachel Mandelbaum, seorang sarjana peneliti, dan James Gunn, Profesor Astronomi Eugene Higgins, menguraikan penilaian mereka dalam edisi Alam 11 Maret.
Ilmuwan lain yang berkolaborasi dalam makalah ini termasuk Tobias Baldauf, Lucas Lombriser dan Robert Smith dari University of Zurich dan Uros Seljak dari University of California-Berkeley.
Hasilnya penting, kata mereka, karena mereka menopang teori saat ini yang menjelaskan bentuk dan arah alam semesta, termasuk ide-ide tentang energi gelap, dan menghilangkan beberapa petunjuk dari eksperimen baru-baru ini bahwa relativitas umum mungkin salah.
"Semua ide kami dalam astronomi didasarkan pada ekstrapolasi yang sangat besar ini, jadi apa pun yang dapat kita lakukan untuk melihat apakah ini benar atau tidak pada skala ini hanya sangat penting," kata Gunn. "Itu menambah batu bata ke fondasi yang mendasari apa yang kita lakukan."
GR adalah satu, dari dua, teori inti yang mendasari semua astrofisika dan kosmologi kontemporer (yang lainnya adalah Model Standar fisika partikel, teori kuantum); itu menjelaskan semuanya, mulai dari lubang hitam hingga Big Bang.
Dalam beberapa tahun terakhir, beberapa alternatif untuk relativitas umum telah diusulkan. Teori-teori gravitasi yang dimodifikasi ini berangkat dari relativitas umum dalam skala besar untuk menghindari kebutuhan energi gelap, materi gelap, atau keduanya. Tetapi karena teori-teori ini dirancang untuk mencocokkan prediksi relativitas umum tentang sejarah ekspansi alam semesta, sebuah faktor yang merupakan pusat kerja kosmologis saat ini, telah menjadi penting untuk mengetahui teori mana yang benar, atau setidaknya mewakili kenyataan sebaik dapat diperkirakan.
"Kami tahu kami perlu melihat struktur berskala besar dari alam semesta dan pertumbuhan struktur yang lebih kecil menyusunnya dari waktu ke waktu untuk mengetahuinya," kata Reyes. Tim menggunakan data dari Sloan Digital Sky Survey (SDSS), proyek teleskop multi-institusi jangka panjang yang memetakan langit untuk menentukan posisi dan kecerahan beberapa ratus juta galaksi dan quasar.
Dengan menghitung pengelompokan galaksi-galaksi ini, yang membentang hampir sepertiga dari jalan ke tepi alam semesta, dan menganalisis kecepatan dan distorsi dari bahan intervensi - karena pelensaan yang lemah, terutama oleh pelapisan gelap - para peneliti telah menunjukkan bahwa Einstein Teori menjelaskan alam semesta terdekat lebih baik daripada teori gravitasi alternatif.
Para ilmuwan Princeton mempelajari efek gravitasi pada galaksi SDSS dan kelompok galaksi selama periode waktu yang lama. Mereka mengamati bagaimana kekuatan fundamental ini mendorong galaksi untuk mengumpul dalam koleksi galaksi yang lebih besar dan bagaimana ia membentuk perluasan alam semesta.
Yang kritis, karena relativitas menyerukan lengkungan ruang sama dengan kurvatur waktu, para peneliti dapat menghitung apakah cahaya dipengaruhi dalam jumlah yang sama oleh keduanya, sebagaimana seharusnya jika relativitas umum berlaku.
"Ini adalah pertama kalinya tes ini dilakukan sama sekali, jadi itu adalah bukti konsep," kata Mandelbaum. “Ada survei astronomi lain yang direncanakan untuk beberapa tahun ke depan. Sekarang setelah kita tahu tes ini berhasil, kita akan dapat menggunakannya dengan data yang lebih baik yang akan segera tersedia untuk lebih membatasi teori gravitasi. ”
Mengaktifkan kekuatan prediksi GR dapat membantu para ilmuwan lebih memahami apakah model alam semesta saat ini masuk akal, kata para ilmuwan.
"Setiap tes yang dapat kita lakukan dalam membangun kepercayaan diri kita dalam menerapkan hal-hal teoritis yang sangat indah ini tetapi yang belum diuji pada skala ini sangat penting," kata Gunn. “Tentu saja membantu ketika Anda mencoba melakukan hal-hal rumit untuk memahami dasar-dasar. Dan ini adalah hal yang sangat, sangat, sangat mendasar. ”
"Hal yang menyenangkan tentang pergi ke skala kosmologis adalah bahwa kita dapat menguji teori gravitasi alternatif yang lengkap, karena itu harus memprediksi hal-hal yang kita amati," kata rekan penulis Uros Seljak, seorang profesor fisika dan astronomi di UC Berkeley dan seorang ilmuwan fakultas di Lawrence Berkeley National Laboratory yang saat ini sedang cuti di Institute of Theoretical Physics di University of Zurich. "Teori-teori alternatif yang tidak memerlukan materi gelap gagal tes ini."
Sumber: "Ilmuwan Princeton mengatakan teori Einstein berlaku di luar tata surya" (Princeton University), "Studi memvalidasi relativitas umum pada skala kosmik, keberadaan materi gelap" (University of California Berkeley), "Konfirmasi relativitas umum pada skala besar dari lemah lensa dan kecepatan galaksi ”(Nature, arXiv preprint)
