VLT doet meest precieze test van Einsteins algemene relativiteitstheorie buiten de Melkweg

Astronomen die gebruik maken van het MUSE-instrument van ESO’s Very Large Telescope in Chili en de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA hebben de meest precieze test tot nu toe gedaan van Einsteins algemene relativiteitstheorie buiten de Melkweg. Het nabije sterrenstelsel ESO 325-G004 fungeert als een sterke zwaartekrachtlens en vervormt het licht van een verder weg staand sterrenstelsel tot een Einsteinring. Door de massa van ESO 325-G004 te vergelijken met de kromming van de omliggende ruimte, ontdekten de astronomen dat de zwaartekracht zich op deze astronomische lengteschalen gedraagt zoals voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. Daarmee zijn enkele alternatieve zwaartekrachttheorie ontkracht.

Met behulp van het MUSE-instrument van ESO’s VLT heeft een team onder leiding van Thomas Collett van de Universiteit van Portsmouth (VK) eerst de massa van ESO 325-G004 berekend door de bewegingen van sterren in dit relatief nabije elliptische sterrenstelsel te meten. Collett legt uit: ‘We hebben gegevens van de Very Large Telescope in Chili gebruikt om te meten hoe snel de sterren in ESO 325-G004 bewegen. Hieruit konden we afleiden hoeveel massa er in dit sterrenstelsel aanwezig moet zijn om deze sterren in hun omloopbanen te houden.’

Maar het team heeft ook een ​​ander aspect van de zwaartekracht gemeten. Met behulp van de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA namen ze een Einsteinring waar die is ontstaan doordat ESO 325-G004 het licht van een ver verwijderd sterrenstelsel vervormt. Aan de hand van deze waarnemingen konden de astronomen meten hoe licht, en daarmee dus ook de ruimtetijd, door de enorme massa van ESO 325-G004 wordt afgebogen. Einsteinsalgemene relativiteitstheorie voorspelt dat objecten de hen omringende ruimtetijd vervormen, waardoor passerend licht wordt afgebogen. Dit resulteert in een verschijnsel dat het zwaartekrachtlenseffect wordt genoemd. Dit effect valt alleen op bij objecten die heel veel massa hebben. Inmiddels zijn een paar honderd van die sterke zwaartekrachtlenzen bekend, maar de meeste zijn te ver weg om hun massa exact te kunnen meten. Met een afstand van ‘slechts’ 450 miljoen lichtjaar is het sterrenstelsel ESO 325-G004 een van de meest nabije lenzen.

Collett vervolgt: ‘We kennen de massa van het voorgrondstelsel van MUSE en we hebben de sterkte van het lenseffect gemeten zoals Hubble dat laat zien. Vervolgens hebben we deze twee manieren om de sterkte van de zwaartekracht te meten met elkaar vergeleken, en het resultaat was precies wat de algemene relativiteitstheorie voorspelt, met een onzekerheid van slechts 9 procent. Daarmee is dit de meest precieze test van de algemene relativiteitstheorie buiten de Melkweg tot nu toe. En dit met behulp van slechts één sterrenstelsel!’ Op de schaal van ons zonnestelsel is de algemene relativiteitstheorie met grote nauwkeurigheid getoetst, maar aan nauwkeurige tests op grotere astronomische schalen ontbrak het tot nu toe. Het testen van de langeafstandseigenschappen van de zwaartekracht is van cruciaal belang om de geldigheid van ons huidige kosmologische model te onderzoeken.

Deze bevindingen kunnen belangrijke gevolgen hebben voor alternatieve zwaartekrachtmodellen. Deze alternatieve theorieën voorspellen dat de effecten van de zwaartekracht op de kromming van ruimtetijd ‘schaalafhankelijk’ zijn. Dit betekent dat de zwaartekracht zich op extragalactische lengteschalen anders zou moeten gedragen dan ​​op de kleinere schaal van het zonnestelsel. Collett en zijn team hebben vastgesteld dat dit waarschijnlijk niet het geval is tenzij de verschillen alleen optreden op lengteschalen van meer dan 6000 lichtjaar. ‘Het is geweldig dat het heelal ons lenzen levert die we als laboratoria kunnen gebruiken’, voegt teamlid Bob Nichol van de Universiteit van Portsmouth daaraan toe. ‘Het is zo bevredigend om de beste telescopen ter wereld in te zetten om Einstein op de proef te stellen, en erachter te komen dat hij gelijk had.’