Datorgenererade bilder som visar en diskgalax från en modifierad gravitationssimulering. Bilderna visar (höger sida av bilden, i röd-blå färg) gasdensiteten inom galaxens skiva med stjärnorna visade som ljusa prickar. Den vänstra sidan av bilderna visar kraftförändringarna i gasen i skivan, där de mörka centrala områdena motsvarar standard, Allmänna relativitetsliknande krafter och de ljusgula områdena motsvarar förstärkta (modifierade krafter). Bilder visar vyer av den simulerade galaxen från ovan och från sidan. Kredit:Christian Arnold/Baojiu Li/Durham University.
Superdatorsimuleringar av galaxer har visat att Einsteins allmänna relativitetsteori kanske inte är det enda sättet att förklara hur gravitationen fungerar eller hur galaxer bildas.
Fysiker vid Durham University, STORBRITANNIEN, simulerade kosmos med en alternativ modell för gravitation - f(R)-gravitation, en så kallad Chameleon Theory.
De resulterande bilderna som produceras av simuleringen visar att galaxer som vår Vintergatan fortfarande kan bildas i universum även med olika tyngdlagar.
Fynden visar livskraften hos kameleonteorin – så kallad eftersom den ändrar beteende i enlighet med miljön – som ett alternativ till allmän relativitet när det gäller att förklara bildandet av strukturer i universum.
Forskningen kan också bidra till ytterligare förståelse av mörk energi – det mystiska ämnet som accelererar universums expansionshastighet.
Resultaten publiceras i Natur astronomi .
General Relativity utvecklades av Albert Einstein i början av 1900-talet för att förklara gravitationseffekten av stora föremål i rymden, till exempel för att förklara Merkurius bana i solsystemet.
Det är grunden för modern kosmologi men spelar också en roll i vardagen, till exempel vid beräkning av GPS-positioner i smartphones.
Forskare vet redan från teoretiska beräkningar att kameleontteorin kan återskapa framgången för Allmän relativitet i solsystemet.
Durham-teamet har nu visat att denna teori tillåter realistiska galaxer som vår Vintergatan att bildas och kan särskiljas från allmän relativitet på mycket stora kosmologiska skalor.
Forskningsmedförfattare Dr. Christian Arnold, vid Durham University's Institute for Computational Cosmology, sa:"Kameleonteorin tillåter att gravitationslagarna modifieras så att vi kan testa effekten av förändringar i gravitationen på galaxbildningen.
Datorgenererade bilder som visar en skivgalax från en modifierad gravitationssimulering är tillgängliga. Bilder visas (höger sida av bilden, i röd-blå färg) gasdensiteten inom galaxens skiva med stjärnorna visade som ljusa prickar. Den vänstra sidan av bilderna visar kraftförändringarna i gasen i skivan, där de mörka centrala områdena motsvarar standard, Allmänna relativitetsliknande krafter och de ljusgula områdena motsvarar förstärkta (modifierade krafter). Bilder visar vyer av den simulerade galaxen från ovan och från sidan. Kredit:Christian Arnold/Baojiu Li/Durham University.
"Genom våra simuleringar har vi för första gången visat att även om du ändrar gravitationen, det skulle inte hindra skivgalaxer med spiralarmar från att bildas.
"Vår forskning betyder definitivt inte att allmän relativitet är fel, men det visar att det inte behöver vara det enda sättet att förklara gravitationens roll i universums utveckling."
Forskarna tittade på samspelet mellan gravitationen i Chameleon Theory och supermassiva svarta hål som sitter i galaxernas centrum.
Svarta hål spelar en nyckelroll i galaxbildningen eftersom värmen och materialet de släpper ut när de sväljer omgivande materia kan bränna bort den gas som behövs för att bilda stjärnor, effektivt stoppa stjärnbildningen.
Mängden värme som spys ut av svarta hål förändras genom att gravitationen ändras, påverkar hur galaxer bildas.
Dock, de nya simuleringarna visade att även om man tog hänsyn till tyngdkraftsförändringen som orsakades av att tillämpa Chameleon Theory, galaxer kunde fortfarande bildas.
Allmän relativitet har också konsekvenser för förståelsen av universums accelererande expansion.
Forskare tror att denna expansion drivs av mörk energi och Durham-forskarna säger att deras fynd kan vara ett litet steg mot att förklara egenskaperna hos detta ämne.
Forskningsmedförfattare professor Baojiu Li, vid Durham University's Institute for Computational Cosmology, sa:"I allmän relativitet, forskare förklarar den accelererade expansionen av universum genom att introducera en mystisk form av materia som kallas mörk energi - vars enklaste form kan vara en kosmologisk konstant, vars täthet är en konstant i rum och tid.
"Dock, alternativ till en kosmologisk konstant som förklarar den accelererade expansionen genom att modifiera tyngdlagen, som f(R) gravitation, anses också allmänt med tanke på hur lite som är känt om mörk energi."
Durham-forskarna förväntar sig att deras fynd kan testas genom observationer med Square Kilometer Array (SKA)-teleskopet, baserad i Australien och Sydafrika, som ska påbörjas observationer 2020.
SKA kommer att bli världens största radioteleskop och syftar till att utmana Einsteins allmänna relativitetsteori, titta på hur de första stjärnorna och galaxerna bildades efter Big Bang, och hjälpa forskare att förstå naturen eller mörk energi.
