Jakten på alternative gravitasjonsteorier

Kan man forstå universet bedre om man justerer litt på Einsteins generelle relativitetsteori? Ny avhandling ser på mulige effekter av alternative gravitasjonsteorier. 

Einsteins generelle relativitetsteori har i over hundre år regjert som den beste teorien for å forklare hvordan gravitasjon fungerer i universet.

Men er det elementer i Einsteins teori som kan endres på for å beskrive universet enda bedre?

Denne problemstillingen har vært sentral i doktorgradsarbeidet til Amir Hammami, som nylig forsvarte sin avhandling ved Institutt for teoretisk astrofysikk.

Amir Hammami forsvarte i høst sin avhandling Probing gravity theories beyond general relativity using hydrodynamic N-body simulations

– Her på jorden og i solsystemet vårt stemmer Einsteins teori veldig bra. Den har klare prediksjoner, og de er testet godt.

– Men på større skala, i områder i universet med lavere tetthet og avstander på flere hundre lysår, kan det være at teorien ikke fungerer like bra, forklarer Hammami.

”Mørketall” i energibudsjettet

Det er observasjoner som for eksempel universets akselererende utvidelse, som har gjort at man de siste tiårene har begynt å stille spørsmål ved den generelle relativitetsteoriens gyldighet på større skalaer. 

Dersom Einsteins teori skal brukes slik som den fremstår i dag, må nemlig materie- og energiinnholdet i universet domineres av såkalte ”mørke” komponenter.

For å forklare hvordan universet ekspanderer fortere og fortere, introduserer teoretikere en ”mørk energi” som har en effekt som virker motsatt av gravitasjon.

Problemet er bare at ingen helt vet hva mørk energi egentlig er.

– Ikke alle liker at man bare innfører en mystisk mørk energi for å få budsjettet til å gå opp, sier Hammami.

– Det vi har gjort er å studere alternative gravitasjonsteorier, teorier hvor en modifisererer Einsteins teori, som kan gjøre det slik at vi slipper å bruke denne mørke energien.

”Den femte kraften”

Ett eksempel på en slik modifikasjon er å introdusere en ekstra gravitasjonskraft, den såkalte ”femte kraften”.

Denne litt mystiske betegnelsen høres kanskje ikke stort bedre ut enn mørk energi, men den fungerer som et tillegg til de fire fundamentale kreftene som fysikere bruker få å beskrive virkeligheten (de svake kjernekreftene (sterk- og svak), elektromagnetisme og gravitasjon).

Innføring av den femte kraften kan dermed sees på som introduksjon av ny fysikk.

Eliminasjon av gravitasjonsteorier

For å teste de alternative gravitasjonsteoriene har Hammami og hans kolleger brukt simuleringer av galakser og galaksehoper for å se hvordan de alternative teoriene påvirker gassene i simuleringene. Simuleringene sammenlignes deretter med observasjoner av ekte galakser og galaksehoper.

Ved å sammenligne massen og temperaturen til galaksehopene finner Hammami gode signaturer på alternative gravitasjonsteorier, som de kan se etter når de sammenligner med observasjoner.

Et øyeblikksbilde fra en simulering av samme type som arbeidet til Hammami (uten modifisert gravitasjon vel å merke), hvor den mørke materien er synlig til venstre mens gassen er synlig til høyre.
Illustrasjon: Illustris Collaboration / Illustris Simulation

Ingen av de alternative teoriene som Hammami studerer er realistiske modeller, men heller såkalte ”leketøy”-modeller som fremhever visse karakteristiske signaturer.

– Ved å eliminere visse karakteristiske signaturer kan en eliminere en rekke mer realistiske modeller som har de samme signaturene, og man kan ledes på riktig vei i en stepping-stone-prosess, forklarer Hammami.

Skjebnen til universet

På sikt er håpet at simuleringene også kan benyttes sammen med fremtidige astronomiske observasjoner. Potensielt kan innsikten om alternative gravitasjonsteorier bidra til å predikere den ultimate skjebnen til universet.

Amir Hammami forsvarte sin avhandling tidligere i høst.
Foto: Tore Oldeide Elgvin

– Nå er vi i en fase hvor vi ser at universet utvider seg akselererende. Men det kan jo hende at en alternativ gravitasjonsteori vil predikere at universet vil ekspandere først, for så å trekke seg sammen.

Reproduserbarhet og åpenhet

Kodene som er utviklet under doktorgradsarbeidet er unike på verdensbasis, og Hammami jobber nå med å gjøre dem offentlig på engasjement av Institutt for teoretisk astrofysikk. 

– Koden kan gi mye innsikt rundt modifiserte gravitasjonsteorier, men ville muligens forsvunnet når jeg forlater akademia. Med å gjøre den offentlig, gjør jeg den tilgjengelig til forskere verden over som måtte være interessert.

– Det er slik jeg føler vitenskapen burde fungere. Vi deler våre verktøy og kunnskap så flere sett med øyne kan få sett på like problemstillinger, og at vi kollektivt kan komme kjappere frem til ny vitenskap.

 

 

Emneord: Kosmologi, gravitasjon, einstein, Den generelle relativitetsteorien Av Tore Oldeide Elgvin
Publisert 9. des. 2016 15:10 - Sist endret 13. des. 2016 13:54