Einsteins teori om allmän relativitet förutspår förekomsten av mörk energi - en mystisk form av energi som genomsyrar rymden och påskyndar universums expansion. Men tänk om Einstein hade fel och det inte fanns något som heter mörk energi? GalaxyDance -projektet har undersökt detta scenario.

Så exakt som det har visat sig vara hittills, allmän relativitet är inte den enda teorin som kan redogöra för gravitation. Faktiskt, det finns olika alternativa teorier där ute. Forskare är bara inte säkra på hur dessa kan motstå observation och simuleringar.

För att täppa till detta gap, GalaxyDance -projektet, genomfört med stöd av Marie Skłodowska-Curie-programmet, har använt information som är kodad i särartig hastighetsstatistik över galaxer i lokaluniversumet samt observerade rödförskjutande rymdförvrängningar (RSD) av avlägsna galaxer.

Dr Wojciech Hellwing, koordinator för projektet och forskare vid Center for Theoretical Physics of the Polish Academy of Sciences, diskuterar projektets resultat hittills.

Vad gör universums expansion så svår att förstå?

När vi går djupare och längre i våra observationer av universum, vi är fortfarande förbryllade över några av dess egenskaper. En av dessa är den accelererade expansionen av rymdtid, som för närvarande tillskrivs mörk energi. Men sanningen är, vi behöver bara tänka på mörk energi om Einsteins gravitationsteori är giltig på alla skalor i kosmos.

Det finns andra möjliga förklaringar till den accelererade expansionen som inte kräver mörk energi. Dessa teorier går utöver allmän relativitet och kallas vanligen "modifierad gravitation". Att testa allmän relativitet och dessa alternativ på intergalaktisk skala är en angelägen och viktig fråga för modern extragalaktisk astronomi, och det var syftet med GalaxyDance.

Kan du berätta mer om ditt tillvägagångssätt?

GalaxyDance introducerar ett nytt tillvägagångssätt som består i att använda lågordningsstatistik över galaxhastigheter och kluster för att testa Einsteins gravitationsteori och dess motsvarigheter. Detta test täcker intergalaktiska skalor, en regim där gravitationsteorin inte har testats noggrant hittills. Jag har visat att detta tillvägagångssätt har flera unika fördelar:det är gravitationsmodelloberoende, fri från betydande galaxfördomar och i stort sett opåverkad av baryonisk fysik.

Jag har använt state-of-the-art datasimuleringar som återskapar ett virtuellt universum i en superdator. Genom att köra och analysera dessa simuleringar, vi kan testa bortom GR-teorier och beskriva lovande resultat.

Vad är det som gör detta tillvägagångssätt särskilt innovativt?

Användningen av stora superdatorsimuleringar var tidigare omöjlig i modeller utanför GR, på grund av deras komplexitet och numeriska dyrbarhet. För att mildra detta problem, Vi har bestämt oss för att använda en accelerationsalgoritm som-på bekostnad av viss noggrannhet-kan modellera universums utveckling mycket mer effektivt.

Jag har framgångsrikt visat att vid kosmiska hastigheter, ett sådant approximerat tillvägagångssätt är tillräckligt för att uppnå robusta resultat.

Vilka är projektets viktigaste resultat?

Otvivelaktigt, den nya uppsättningen stora, toppmoderna simuleringar av alternativa teorier som möjliggör oöverträffade studier av kosmiska hastighetsfält.

Vi har redan visat att statistik med låg ordning för galaxhastighetsfältet bör innehålla en stark signal om modifierad gravitation. Dock, vi har också visat att för att mäta och extrahera denna signal, dedikerad och grundlig modellering av effekterna av våra närliggande kosmiska strukturer, som galaxklustret Jungfrun, kommer att vara av yttersta vikt för framgången med vår metod.

Vad hoppas du fortfarande kunna uppnå innan projektet är slut?

Vi kommer att implementera ytterligare modellering av processerna som bestämmer galaxfärger, ljusstyrka och former. Detta kommer att möjliggöra skapandet av artificiella galaxkataloger som visar vad som skulle ha skapats i ett universum styrt av alternativ till Einsteins gravitationsteori.

Därifrån, vi kommer att jämföra våra resultat med de befintliga och kommande astronomiska observationerna för att ge nya stränga gravitationstester på de största skalorna.

Vad har feedbacken från det vetenskapliga samfundet hittills varit?

Många kollegor uttryckte intresse och till och med entusiasm angående våra resultat när vi presenterade dem på internationella kosmologiska konferenser. Vidare, Vi har inlett nya samarbeten med kollegor som har kompletterande expertis inom galaxobservationer (från Lyon i Frankrike) och modellering av närliggande kosmiska strukturer (kollegor från Potsdam i Tyskland). Vi är mycket glada över dessa.

Vad hoppas du kommer att få projektets långsiktiga effekt? Hur förbereder det det vetenskapliga samfundet inför epoken med stora kosmologiska data?

GalaxyDance kommer att ge ett nytt sätt att göra kosmologiska tester av gravitationsteorier till verklighet. De slutliga resultaten, oavsett vilken teori (mörk energi eller modifierad gravitation) de föredrar, kommer att få långtgående och banbrytande konsekvenser för vår förståelse av universum på de största skalorna.

Om våra tester så småningom ger en signatur av ny fysik som förutses i teorier utanför GR, det kommer att skaka vår nuvarande uppfattning och förståelse för den stora utvecklingen av kosmos. Om, å andra sidan, vår förfrågan stärker den allmänna relativiteten, det kommer att innebära att vi måste titta hårdare för att förklara mysteriet med mörk energi.