Astronomové využili přístroj MUSE pracující ve spojení s dalekohledem ESO/VLT v Chile a kosmický teleskop HST k provedení dosud nejpřesnějšího testu Einsteinovy obecné teorie relativity za hranicemi naší Galaxie.

Blízká galaxie s označením ESO 325-G004 funguje jako silná gravitační čočka, svým působením zakřivuje paprsky přicházející ze vzdálenějších galaxií ležících v pozadí a kolem jejího středu vzniká útvar známý jako Einsteinův prsten.

Porovnáním hmotnosti galaxie ESO 325-G004 se zakřivením prostoru v jejím okolí se astronomům podařilo ukázat, že se gravitace v těchto astronomických měřítcích chová tak, jak předpovídá obecná teorie relativity.

Díky tomu je možné vyloučit z vědeckých úvah některé z alternativních teorií gravitace.

S pomocí dalekohledu ESO/VLT (Very Large Telescope) a přístroje MUSE se týmu astronomů pod vedením Thomase Colletta (University of Portsmouth, UK) poprvé podařilo spočítat hmotnost blízké eliptické galaxie s označením ESO 325-G004, a to na základě měření pohybů jejích hvězd.

Thomas Collet vysvětluje: „Využili jsme data získaná pomocí dalekohledu VLT v Chile k měření rychlostí pohybu hvězd v galaxii ESO 325-G004 a to nám umožnilo odvodit, jak velké množství hmoty galaxie musí obsahovat, aby byla schopná tyto hvězdy udržet na jejich oběžných drahách.“.

Členové týmů však byli schopni prověřit ještě další aspekt gravitačního pole této galaxie. S pomocí kosmického Hubbleova teleskopu HST pozorovali takzvaný Einsteinův prsten, útvar, který vzniká ohybem paprsků světla vzdálených galaxií ležících z našeho pohledu v pozadí za ESO 325-G004. Pozorování prstenu astronomům umožnilo změřit, jak výrazně je narušen chod paprsků a tedy jakým způsobem galaxie ESO 325-G004 díky velké koncentraci hmoty zakřivuje okolní prostoročas.

Einsteinova obecná teorie relativity říká, že hmota svojí přítomností deformuje prostoročas kolem sebe. V takto zakřiveném prostoru se pak chod paprsků světla odchyluje od přímého směru. Dochází k jevu, který je znám jako gravitační čočka.

Čím je mezilehlý objekt hmotnější, tím více je jev patrný. V současnosti je známo několik set silných gravitačních čoček, ale většina z nich je příliš vzdálená na to, aby bylo možné přesně změřit hmotnost objektu, který čočku způsobuje.

Galaxie ESO 325-G004 je ale jednou z nejbližších známých gravitačních čoček – je jen asi 450 milionů světelných let daleko.

Thomas Collet dále vysvětluje: „Hmotnost mezilehlé galaxie známe z měření provedených pomocí MUSE a na základě pozorování pomocí HST jsme určili sílu gravitační čočky. Následně jsme porovnali tyto dva způsoby, jakými lze stanovit sílu gravitačního pole, a výsledek odpovídá předpovědím obecné relativity s chybou pouze 9 %.

Jedná se o dosud nejpřesnější test obecné teorie relativity mimo naší Galaxii. A to s využitím pouze jedné galaxie!”.

V roce 1998 vědci objevili, že se vesmír rozpíná zrychlenou expanzí (tedy, že jeho rozpínání v současnosti probíhá rychleji než v minulosti). Toto nečekané zjištění není možné v současnosti vysvětlit jinak, než že většinu vesmíru tvoří exotická složka nazývaná temná energie (která zrychlenou expanzi způsobuje).

Tato interpretace však závisí na předpokladu, že obecná teorie relativity je teorií gravitace platnou i na kosmologických škálách. Obecná teorie relativity byla mnohokrát testována s mimořádnou mírou přesnosti v měřítcích Sluneční soustavy, některé práce se zaměřily také na její platnost pro hvězdy ve středu naší Galaxie.

Dosud však nebyl proveden žádný přesný test na ještě větších astronomických vzdálenostech. A právě testování vlastností gravitace na velkých škálách je velmi důležité k ověření platnosti současného kosmologického modelu.

Uvedená zjištění mohou mít zásadní následky pro alternativní teorie gravitace, které se rovněž pokoušejí vysvětlit zrychlenou expanzi vesmíru. Tyto teorie předpokládají, že vliv gravitace na zakřivení prostoročasu závisí na měřítku.

To znamená, že gravitace se podle nich chová jinak na velkých astronomických škálách než v menších měřítcích Sluneční soustavy. Thomas Collet a jeho tým ale zjistili, že je to nepravděpodobné, alespoň pokud tyto rozdíly nenastávají pouze v měřítcích větších než asi 6 000 světelných let.

„Vesmír je úžasné místo a nabízí nám tyto čočky, které můžeme využít jako laboratoře,“ dodává člen týmu Bob Nichol (University of Portsmouth). „Je ohromující, že používáme ty nejlepší dalekohledy světa k ověření Einsteinových předpovědí, abychom zjistili, jak hlubokou pravdu měl.“.