Publicerad 1915 passerade Einsteins teori om allmän relativitet (GR) sitt första stora test bara några år senare, när den förutsagda gravitationsböjningen av ljus som passerade nära solen observerades under solförmörkningen 1919.
1960 passerade GR sitt första stora test i ett labb, här på jorden; Pound-Rebka-experimentet. Och under de nio decennierna sedan publiceringen har GR godkänt test efter test efter test, alltid med flygande färger (kolla in denna recension för en utmärkt sammanfattning).
Men testerna har alltid varit inom solsystemet, eller på annat sätt indirekt.
Nu har ett team som leds av Princeton University-forskare testat GR för att se om det gäller i kosmiska skalor. Och efter två år med analys av astronomiska data har forskarna kommit fram till att Einsteins teori fungerar lika bra i stora avstånd som i mer lokala områden i rymden.
Forskarnas analys av mer än 70 000 galaxer visar att universum - åtminstone upp till ett avstånd av 3,5 miljarder ljusår från Jorden - spelar efter reglerna som Einstein har fastställt i sin berömda teori. Även om GR har accepterats av det vetenskapliga samhället i över nio decennier, hade hittills ingen testat teorin så grundligt och robust på avstånd och skalor som går långt bortom solsystemet.
Reinabelle Reyes, en Princeton doktorand vid Institutionen för astrofysiska vetenskaper, tillsammans med medförfattare Rachel Mandelbaum, en forskarforskare, och James Gunn, Eugene Higgins professor i astronomi, beskrev deras bedömning i 11 mars-upplagan av Nature.
Andra forskare som samarbetar på papperet inkluderar Tobias Baldauf, Lucas Lombriser och Robert Smith från University of Zurich och Uros Seljak från University of California-Berkeley.
Resultaten är viktiga, sade de, eftersom de shore upp aktuella teorier som förklarar universums form och riktning, inklusive idéer om mörk energi, och fördriver några tips från andra senaste experiment som allmän relativitet kan vara fel.
"Alla våra idéer inom astronomi är baserade på denna riktigt enorma extrapolering, så allt vi kan göra för att se om detta är rätt eller inte på dessa skalor är bara oerhört viktigt," sa Gunn. "Det lägger till en annan tegelsten till grunden som ligger till grund för vad vi gör."
GR är en, av två, kärnteorier som ligger till grund för samtida astrofysik och kosmologi (den andra är standardmodellen för partikelfysik, en kvantteori); det förklarar allt från svarta hål till Big Bang.
Under de senaste åren har flera alternativ till allmän relativitet föreslagits. Dessa modifierade tyngdkraftteorier avviker från allmän relativitet på stora skalor för att kringgå behovet av mörk energi, mörk materia eller båda. Men eftersom dessa teorier var utformade för att matcha förutsägelserna om allmän relativitet om universums expansionshistoria, en faktor som är central i det nuvarande kosmologiska arbetet, har det blivit avgörande att veta vilken teori som är korrekt, eller åtminstone representerar verkligheten så bäst som kan approximeras.
"Vi visste att vi behövde titta på universums storskaliga struktur och tillväxten av mindre strukturer som komponerar det över tid för att ta reda på det," sade Reyes. Teamet använde data från Sloan Digital Sky Survey (SDSS), ett långsiktigt multinationellt teleskopprojekt som kartlade himlen för att bestämma position och ljusstyrka för flera hundra miljoner galaxer och kvasarer.
Genom att beräkna kluster av dessa galaxer, som sträcker sig nästan en tredjedel av vägen till universumets kant, och analysera deras hastigheter och förvrängning från mellanliggande material - på grund av svag linsning, främst av mörk materia - har forskarna visat att Einsteins teori förklarar det närliggande universum bättre än alternativa tyngdkraftteorier.
Princeton-forskarna studerade effekterna av tyngdkraften på SDSS-galaxerna och galaxkluster under långa tidsperioder. De observerade hur denna grundläggande kraft driver galaxer att klumpa sig in i större galaxsamlingar och hur den formar universums expansion.
Kritiskt, eftersom relativitet kräver att rymdets krökning ska vara lika med tidens krökning, kunde forskarna beräkna huruvida ljuset påverkades i lika stora mängder av båda, som det borde vara om den allmänna relativiteten stämmer.
"Det här är första gången detta test genomförs alls, så det är ett bevis på koncept," sade Mandelbaum. ”Det finns andra astronomiska undersökningar planerade för de närmaste åren. Nu när vi vet att detta test fungerar kommer vi att kunna använda det med bättre data som snart kommer att finnas tillgängliga för att snävare begränsa teorin om gravitation. "
Att förstärka GR: s prediktiva krafter kan hjälpa forskare att bättre förstå huruvida dagens modeller av universum är vettiga, sade forskarna.
"Varje test vi kan göra för att bygga vårt förtroende för att tillämpa dessa mycket vackra teoretiska saker, men som inte har testats på dessa skalor är mycket viktigt," sa Gunn. ”Det hjälper verkligen när du försöker göra komplicerade saker för att förstå grunderna. Och det här är en väldigt, väldigt mycket grundläggande sak. ”
"Det trevliga med att gå till den kosmologiska skalan är att vi kan testa alla fullständiga, alternativa teorier om tyngdkraft, eftersom det borde förutsäga de saker vi observerar," sa medförfattaren Uros Seljak, professor i fysik och astronomi vid UC Berkeley och en fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory som för närvarande har ledighet vid Institutet för teoretisk fysik vid universitetet i Zürich. "De alternativa teorierna som inte kräver mörk materia misslyckas med dessa tester."
Källor: "Princetonforskare säger att Einsteins teori gäller utöver solsystemet" (Princeton University), "Studien validerar allmän relativitet på kosmisk skala, existens av mörk materia" (University of California Berkeley), "Bekräftelse av allmän relativitet på stora skalor från svaga linsning och galaxhastigheter ”(Nature, arXiv preprint)
