Einsteins generelle relativitetsteori har i over hundre år regjerte som den beste teorien for å forklara korleis gravitasjon fungerer i universet.
Men er det element i Einsteins teori som kan endrast på for å beskriva universet endå betre?
Denne problemstillinga har vore sentral i doktorgradsarbeidet til Amir Hammami, som nyleg forsvarte avhandlinga si ved Institutt for teoretisk astrofysikk.
– Her på jorda og i solsystemet vårt stemmer Einsteins teori veldig bra. Den har klare prediksjonar, og dei er testa godt.
– Men på større skala, i område i universet med lågare tettleik og avstandar på fleire hundre lysår, kan det vera at teorien ikkje fungerer like bra, forklarer Hammami.
”Mørketal” i energibudsjettet
Det er observasjonar som til dømes den akselererande utvidinga til universet, som har gjort at ein dei siste tiåra har byrja å setja spørsmålsteikn ved gyldigheita til den generelle relativitetsteorien på større skalaer.
Dersom Einsteins teori skal brukast slik som han verkar i dag, må nemleg materie- og energiinnhaldet i universet er dominert av såkalla ”mørke” komponentar.
For å forklara korleis universet ekspanderer fortare og fortare, introduserer teoretikarar ein ”mørk energi” som har ein effekt som verkar motsett av gravitasjon.
Problemet er berre at ingen helt veit kva mørk energi eigentleg er.
– Ikkje alle liker at ein berre innfører ein mystisk mørk energi for å få budsjettet til å gå opp, seier Hammami.
– Det me har gjort er å studera alternative gravitasjonsteoriar, teoriar der ein modifisererer Einsteins teori, som kan gjera det slik at me slepp å bruka denne mørke energien.
”Den femte krafta”
Eitt døme på ein slik modifikasjon er å introdusera ei ekstra gravitasjonskraft, den såkalla ”femte krafta”.
Denne litt mystiske nemninga høyrest kanskje ikkje stort betre ut enn mørk energi, men ho fungerer som eit tillegg til dei fire fundamentale kreftene som fysikarar bruker få å beskriva røyndommen (dei svake kjernekreftene (sterk- og svak), elektromagnetisme og gravitasjon).
Innføring av den femte krafta kan dermed sjåast på som introduksjon av ny fysikk.
Eliminasjon av gravitasjonsteoriar
For å testa dei alternative gravitasjonsteoriane har Hammami og kollegaene hans brukt simuleringar av galaksar og galaksehoper for å sjå korleis dei alternative teoriane påverkar gassane i simuleringane. Simuleringane blir deretter samanlikna med observasjonar av ekte galaksar og galaksehoper.
Ved å samanlikna massen og temperaturen til galaksehopene finn Hammami gode signaturar på alternative gravitasjonsteoriar, som dei kan sjå etter når dei samanliknar med observasjonar.
Ingen av dei alternative teoriane som Hammami studerer er realistiske modellar, men heller såkalla ”leiketøy”-modellar som framhevar visse karakteristiske signaturar.
– Ved å eliminera visse karakteristiske signaturar kan ein eliminera ei rekkje meir realistiske modellar som har dei same signaturane, og ein kan leiast på rett veg i ein stepping-stone-prosess, forklarer Hammami.
Lagnaden til universet
På sikt er håpa at simuleringane også kan nyttast saman med framtidige astronomiske observasjonar. Potensielt kan innsikta om alternative gravitasjonsteoriar bidra til å predikera den ultimate lagnaden til universet.
– No er me i ein fase der me ser at universet utvidar seg akselererande. Men det kan jo henda at ein alternativ gravitasjonsteori vil predikera at universet vil ekspandera først, for så å trekkja seg saman.
Reproduserbarhet og openheit
Kodane som er utvikla under doktorgradsarbeidet er unike på verdsbasis, og Hammami jobbar no med å gjera dei offentleg på engasjement av Institutt for teoretisk astrofysikk.
– Koden kan gi mykje innsikt rundt modifiserte gravitasjonsteoriar, men ville kanskje forsvunne når eg forlèt akademia. Med å gjera den offentleg, gjer eg den tilgjengeleg til forskarar verda over som måtte vera interessert.
– Det er slik eg kjenner vitskapen burda fungera. Me deler verktøya og kunnskapen våre så fleire sett med auge kan få sett på like problemstillingar, og at me kollektivt kan komma kjappare fram til ny vitskap.