Ett nytt rymdteleskop utformat för att kika in i några av universums längsta regioner kan äntligen svara på en av de mest förbryllande frågorna kring Albert Einsteins allmänna relativitetsteori.

Euklides uppdrag, som ska skjutas upp av European Space Agency 2021, kommer att ta bilder av miljarder avlägsna galaxer för att ge nya insikter om hur gravitationen fungerar i rymdens djup.

Einsteins berömda teori, som han publicerade 1915, anses allmänt vara det bästa sättet att förklara gravitationen. Det säger i huvudsak att massiva föremål får tyget av rum och tid att kröka, vilket får andra föremål att falla mot dem.

Men även om allmän relativitet tycks stämma överens med hur forskare observerar gravitationens beteende i vårt eget solsystem och galax, det börjar se mindre övertygande ut på större skalor.

Observationer av avlägsna supernovor tyder på att vårt universum accelererar när det expanderar, även om vissa forskare bestrider detta. För att accelererad expansion ska ske under allmän relativitet krävs att universum genomsyras av en mystisk, och hittills oupptäckt, "mörk energi" som behövs för att driva processen.

Medan många fysiker är övertygade om förekomsten av mörk energi, andra söker efter alternativa förklaringar.

'Allmän relativitet är en mycket bra teori för att beskriva gravitation, sade professor Kazuya Koyama, en kosmolog vid University of Portsmouth i Storbritannien. 'Men när vi applicerar det på en stor, kosmologisk skala, vi ser några väldigt konstiga saker som vi behöver mörk energi för att förklara. Problemet är att vi inte har en aning om vad mörk energi är.

'Om den allmänna relativiteten ändras, vi behöver kanske inte alls mörk energi för att förklara vad som händer.'

Prof. Koyama leder ett projekt som heter CosTesGrav, som använder observationer av avlägsna galaxer för att utveckla nya teorier som modifierar allmän relativitet så att den fungerar på stora skalor. Den data som samlas in av Euclid när den lanseras kommer att vara avgörande för att hjälpa dem att göra detta.

20 sexbiljoner mil

CosTesGrav -forskarna använder observationer av galaxer som är upp till 3,3 miljarder ljusår (20 sextillion miles) bort för att leta efter små snedvridningar i deras form som orsakas av gravitationen.

Den allmänna relativitetsteorin säger att ljus böjs av gravitationen, vilket betyder att det kan lämna en distinkt signatur i ljuset som sänds ut av avlägsna astronomiska objekt som galaxer.

CosTesGrav -teamet har redan använt bilder från Hubble -rymdteleskopet för att leta efter några av dessa snedvridningar och fann att signaturen från gravitationen överensstämmer med allmän relativitet.

Men Prof. Koyama tror att större undersökningar som de som genomförts av Euclid skulle kunna göra det möjligt för dem att upptäcka snedvridningar som indikerar att det kan finnas något annat på jobbet.

"Vi måste förklara framgången med allmän relativitet i små skalor men samtidigt modifiera den över mycket stora skalor, 'sade professor Koyama. 'Det är en utmaning. Vi har två tillvägagångssätt – det ena är att komma med teoretiska modeller och använda avancerade simuleringar för att testa dem.

'Den andra är att använda observationerna och leta efter signaturerna för en avvikelse från allmän relativitet.'

Han säger att kombinationen av dessa tillvägagångssätt gör det möjligt för forskarna att dra nytta av Euklids mycket exakta kartor över fördelningen av galaxer och testa allmän relativitet i en kosmologisk skala.

Deras arbete kunde inte bara lösa ett av de största enastående pusslen om universum, men skulle också radikalt kunna skriva om vår förståelse av vår plats inom den.

Extra dimensioner

En ledande alternativ teori för mörk energi antyder att rymdtid kan ha extra dimensioner som bara är möjliga att upptäcka på den kosmologiska skalan.

"Det här är spännande eftersom vi kan hitta något mycket annorlunda än den vanliga uppfattningen om rumtid i mycket stor skala, 'sade professor Koyama. "Men för närvarande är vår nuvarande förståelse av allmän relativitet säker."

En ändring av allmän relativitet, dock, kan få viktiga konsekvenser här på jorden. De flesta av oss använder teorin varje dag när vi följer anvisningarna på våra mobiltelefoner eller i bilens navigationssystem.

'Noggrannheten hos GPS (det globala positioneringssystemet) är fantastisk, men det är bara möjligt på grund av justeringar med hjälp av generell relativitetsteori, 'förklarade prof Koyama. 'Vi vet inte hur viktiga upptäckter vi kommer att göra i framtiden kommer att vara för framtida teknisk utveckling.'

Data som samlats in av Euclid kommer också att visa sig vara avgörande för forskare som arbetar med ett annat projekt som inte bara vill testa den allmänna relativitetsteorin, men också belysa några av de initiala förhållanden som ledde till universums nuvarande struktur.

GrInflaGal-projektet använder observationer av massiva galaxhopar – enorma, täta strukturer bundna av gravitationen i rymden som består av miljoner galaxer - för att undersöka materiens fördelning i universum och effekterna av gravitationen.

"Vi vill modellera galaxkluster i stor skala, men för att göra detta måste vi veta hur dessa galaxer beter sig, sa Dr. Fabian Schmidt, en kosmolog vid Max Planck Institute for Astrophysics in Garching, Tyskland, som leder GrInflaGal -projektet.

Genom att mäta hur andra objekt runt galaxkluster beter sig - som att titta på skillnader i hastighet jämfört med deras massa - tror forskarna att de kan mäta gravitationen hos dessa enorma strukturer och så testa om de följer allmän relativitet.

Klump

Detta kan sedan användas för att hjälpa till att reda ut hur universum gick från att vara ett hett, enhetlig klump av tät materia till en där galaxer är utspridda i kluster som ses idag.

"Målet är att ha ett nästan optimalt sätt att testa gravitationen från kommande undersökningar som Euclid, sa Dr Schmidt. "Vi har ingen aning om hur inflationen i det tidiga universum hände, men undersökningar som Euclid kan förbättra de begränsningar vi använder.

'Tyngdkraften är en så grundläggande del av vår fysiska förståelse av universum, och kosmologi ger oss chansen att undersöka den i mycket större skala än någonsin tidigare. '