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 på Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo. 

– 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.

Ikke alle liker mørk energi

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.

• Les også: Gravitasjonsbølger kan gi svar på universets gåter

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
• De sterke kjenekreftene
• Elektromagnetisme
• Gravitasjon

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

Simulerer galakser for å teste teoriene

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. 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 forskerne deretter kan se etter når de sammenligner med observasjoner.

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

• Les også: Er det mulig å forstå ideene bak den mest avanserte fysikk i løpet 109 små boksider?

Skjebnen til universet

På sikt er håper forskerne at simuleringene også kan brukes sammen med fremtidige astronomiske observasjoner. Potensielt kan kunnskap om alternative gravitasjonsteorier bidra til å predikere den ultimate skjebnen til universet.

– 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.

Ønsker åpenhet rundt forskningen

Kodene som er utviklet under doktorgradsarbeidet er unike på verdensbasis, og Hammami jobber nå med å gjøre dem offentlig. 

– 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 .

• Les også: - Jeg regnet meg fram til et kjedelig univers

Referanse:

Amir Hammami: Probing gravity theories beyond general relativity using hydrodynamic N-body simulations. Doktorgradsavhandling ved UiO. 2016. Sammendrag.