Teoria relativității

Aplicații în astrofizică

Lentile gravitaționale

Crucea Einstein: patru imagini ale aceluiași obiect astronomic, produse de o lentilă gravitațională

Devierea luminii de către câmpurile gravitaționale este răspunzătoare pentru o nouă clasă de fenomene astronomice. Dacă un obiect masiv se situează între astronom și un alt obiect aflat la distanță, astronomul va vedea mai multe imagini distorsionate ale obiectului din depărtare. Aceste efecte se numesc „lentile gravitaționale”.^] În funcție de configurație, scară, și distribuție de masă, pot apărea două sau mai multe imagini, un inel luminos, denumit inel Einstein, sau inele parțiale, denumite arce. Primul exemplu a fost descoperit în 1979; de atunci, au fost observate peste o sută de lentile gravitaționale. Chiar dacă imaginile multiple sunt prea apropiate pentru a fi distinse, efectul tot poate fi măsurat, de exemplu, ca o intensificare a strălucirii obiectului observat; s-au observat mai multe astfel de evenimente.

Lentilele gravitaționale au dus la crearea astronomiei observaționale, utilizată pentru a detecta prezența și distribuția materiei întunecate, drept „telescop natural” pentru observarea galaxiilor îndepărtate, și pentru a obține o estimare independentă a constantei lui Hubble. Evaluări statistice ale datelor obținute cu ajutorul lentilelor gravitaționale furnizează informații valoroase despre evoluția structurală a galaxiilor.

Astronomia undelor gravitaționale

Desen imaginar al detectorului de unde gravitaţionale LISA

Observarea pulsarilor binari furnizează dovezi indirecte pentru existența undelor gravitaționale. Totuși, undele gravitaționale care ajung pe Pământ din regiunile îndepărtate ale cosmosului nu au putut fi detectate direct, acesta fiind în prezent unul dintre scopurile principale ale cercetărilor legate de relativitatea generală. Pe plan mondial, funcționează câteva detectoare terestre de unde gravitaționale, cele mai cunoscute fiind detectoarele interferometrice GEO 600, LIGO (trei detectoare), TAMA 300 și VIRGO. Un detector spațial euro-american, LISA, este în dezvoltare, precursoarea ei fiind misiunea (LISA Pathfinder), aceasta urma a fie lansată la sfârșitul lui 2009.

Observarea undelor gravitaționale promite să completeze observațiile din spectrul electromagnetic. Se așteaptă obținerea de informații despre găurile negre și despre alte obiecte dense, cum ar fi stelele neutronice și piticele albe, despre unele feluri de implozii supernova, și despre procesele ce se desfășurau la începutul genezei universului, inclusiv urmele unor ipotetice corzi cosmice.

Găurile negre și alte obiecte compacte

Când un obiect devine suficient de dens, relativitatea generală prezice formarea unei găuri negre, o regiune din spațiu din care nimic, nici măcar lumina, nu mai poate emerge. În modelele acceptate ale evoluției stelare, stelele neutronice cu aproximativ 1,4 mase solare și așa-numitele găuri negre stelare cu o masă de câteva până la câteva zeci de mase solare sunt considerate etapa finală de evoluție a stelelor masive. Găuri negre supermasive cu o masă de ordinul milioanelor până la ordinul miliardelor de mase solare sunt considerate a fi în centrul fiecărei galaxii, iar prezența lor a jucat un rol important în formarea galaxiilor și structurilor cosmice mai mari.


Simulare pe baza ecuaţiilor teoriei relativităţii generale: o stea care se prăbuşeşte, formând o gaură neagră şi emiţând unde gravitaţionale

Astronomic, cea mai importantă proprietate a obiectelor densee este aceea că furnizează un mecanism deosebit de eficient de conversie a energiei gravitaționale în energie electromagnetică. Acreția, căderea de praf sau materie gazoasă într-o gaură neagră stelară sau supermasivă, este considerată a fi răspunzătoare pentru câteva obiecte de o luminozitate spectaculoasă, în special câteva feluri de nuclee galactice active și de obiecte de dimensiunea stelelor, cum ar fi microquasarii. În particular, acreția poate conduce la jeturi relativiste, raze de particule cu energii mari, constituite din particule emise în spațiu la viteze apropiate de cea a luminii. Relativitatea generală joacă un rol central în modelarea tuturor acestor fenomene, și observațiile furnizează dovezi clare pentru existența găurilor negre cu proprietățile prezis de teorie.

Sistemele binare de două găuri negre în coliziune ar trebui să genereze unele dintre cele mai puternice semnale de unde gravitaționale care ar putea ajunge la detectoarele de pe Pământ, iar faza chiar dinainte de unirea lor poate fi utilizată ca standard pentru a deduce distanța până la evenimentele de unire–și ar putea astfel servi drept metodă de explorare a expansiunii cosmice la mari distanțe. Undele gravitaționale produse de o gaură neagră stelară ce se prăbușește într-o supermasivă ar trebui să dea informații directe despre geometria găurilor negre supermasive.

Cosmologia

Modelele cosmologice de la începutul secolului al XXI-lea sunt bazate pe ecuațiile lui Einstein, inclusiv pe constanta cosmologică , care are o importantă influență asupra dinamicii globale a cosmosului,

unde este metrica spațiu-timpului. Soluțiile omogene și izotrope ale acestor ecuații, soluțiile Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, permit fizicienilor să modeleze evoluția universului de-a lungul ultimilor 14 miliarde de ani încă din primele faze ale Big Bangului. Odată ce se fixează prin observații astronomice un număr mic de parametri (de exemplu densitatea medie de materie din univers), se pot folosi și alte date pentru testarea modelelor. Printre predicțiile, toate confirmate, se numără presupunerea existenței unei abundențe inițiale de elemente chimice formate într-o perioadă de nucleosinteză primordială, structura la scară mare a universului, și existența respectiv proprietățile unui „ecou termic” al cosmosului tânăr, și anume radiația cosmică de fond.

Imagine a fondului cosmic de microunde emise la cel mult câteva sute de mii de ani după big bang, detectate de telescopul-satelit WMAP. Spectrul corespunde unei radiații termice de corp negru la temperatura de emisie de 2.725 K cu un maxim de emisie la frecvența de 160.2 GHz.

Observațiile astronomice asupra vitezei de expansiune cosmologice permit estimarea cantității totale de materie din univers, deși natura acestei materii rămâne parțial acoperită de mister. Aproximativ 90% din toată materia pare a fi așa-numita materie întunecată, care are masă (sau, echivalent, influență gravitațională), dar nu interacționează electromagnetic și, deci, nu poate fi observată direct. Nu există nicio descriere general acceptată pentru acest tip de materie, în cadrul fizicii particulelor sau altfel. Studii asupra deplasării spre roșu a supernovelor îndepărtate și măsurătorile asupra radiației cosmice de fond arată și că evoluția universului este profund influențată de o constantă cosmologică ce are ca rezultat accelerarea expansiunii cosmice sau, echivalent, de o formă de energie cu o ecuație neobișnuită a stării, energie numită energie întunecată, a cărei natură încă este neclară.

În 1980, a apărut ipoteza unei așa-numite faze inflaționare („de umflare”), o fază adițională de expansiune cosmică puternic accelerată de aproximativ 10 ^{− 33} secunde. Ea ar putea soluționa unele neclarități rezultate din observații, ce nu pot fi explicate de modelele cosmologice clasice, cum ar fi omogenitatea cvasiperfectă a radiației cosmice de fond. Măsurătorile recente asupra radiației cosmice de fond au avut ca rezultat primele dovezi în sensul acestui scenariu. Totuși, există o largă varietate de scenarii posibile, care nu pot să nu fie contrazise de rezultatele observațiilor. O chestiune și mai dificilă este fizica universului dinainte de faza inflaționară, în perioada imediat următoare celei în care modelele clasice plasează singularitatea big bangului. Un răspuns complet ar necesita o teorie completă a gravitației cuantice, teorie care nu a fost încă dezvoltată.