物理学：爱因斯坦的理论与其挑战者进行对抗！
这个星系团Abell 3376的合成图像显示了Chandra和ROSAT X射线数据（金色），来自数字化天空测量的光学图像（红色，绿色和蓝色），以及来自VLA（蓝色）的无线电图像。两个不同的团队使用钱德拉观察星系团 - 包括阿贝尔3376 - 来研究宇宙尺度上的引力特性，并测试爱因斯坦的广义相对论。这些研究对于理解宇宙在过去和未来的演化以及探索暗能量的本质至关重要，暗能量是科学中最大的谜团之一。图片来源：X射线：NASA / CXC / SAO / A.Vikhlinin;ROSAT Optical：DSS Radio：NSF / NRAO / VLA / IUCAA / J.Bagchi。
两项新的独立研究使爱因斯坦的广义相对论从未像现在这样受到考验。使用美国宇航局钱德拉X射线天文台制作的这些结果表明，爱因斯坦的理论仍然是城里最好的游戏。
每个科学家团队都利用广泛的钱德拉观察星系团，宇宙中最大的物体是由重力束缚在一起的。一个结果削弱了广义相对论的竞争引力模型，而另一个结果表明爱因斯坦的理论在宇宙中的广泛时间和距离上起作用。
第一个发现显着削弱了广义相对论的竞争对手，称为“f（R）引力”。
“如果广义相对论是重量级拳击冠军，那么另一种理论就是希望成为新贵的竞争者，”帕萨迪纳加州理工学院的Fabian Schmidt领导了这项研究。“我们的工作表明，它击败冠军的可能性非常小。”
近年来，物理学家将他们的注意力转向广义相对论的竞争理论，作为宇宙加速扩张的可能解释。目前，对加速度最流行的解释是所谓的宇宙常数，可以理解为存在于空间中的能量。这种能量被称为暗能量，以强调它不能被直接检测到。
在f（R）理论中，宇宙加速度不是来自外来形式的能量，而是来自重力的修正。修正后的力量也会影响物质的微小增强能够在长时间内生长成为大质量星系团的速率，从而开启了对理论进行敏感测试的可能性。
Schmidt及其同事利用Chandra观测资料对当地宇宙中49个星系团进行了质量估算，并将其与理论模型预测和超新星研究，宇宙微波背景以及星系的大规模分布进行了比较。
他们没有发现重力与广义相对论在大于1.3亿光年的尺度上不同的证据。该限制对应于可以在不使用簇数据的情况下设置的修改的重力范围的界限上的百倍改进。施密特说：“这是在如此大的距离尺度上替代广义相对论的最强约束。” “我们的研究结果表明，通过观测星系团，我们可以严格地探测宇宙学尺度上的重力。”
约束的这种显着改善的原因可以追溯到集群中作用的极大增强的重力，而不是宇宙的普遍背景扩张。聚类增长技术也有望成为其他修正引力场景的良好探索，例如由高维理论和弦理论推动的模型。
第二项独立研究还通过在宇宙学距离和时间上直接测试它来支持广义相对论。到目前为止，广义相对论只能通过从实验室到太阳系统尺度的实验得到验证，这使得广义相对论在更大规模上分解的可能性敞开大门。
模拟显示宇宙从大爆炸后不久发展到今天。当宇宙膨胀和冷却时，由于重力的影响，物质开始聚集在一起，并且数十亿年来形成了诸如星系和星系团等大型结构。随着宇宙膨胀加速，过去50亿年来暗能量已经抑制了这种增长。钱德拉观察了星系团随时间的增长以及附近宇宙中星系团的重量分布，已用于测试爱因斯坦的广义相对论，并在宇宙尺度上测试另一种引力理论。
为了探究这个问题，斯坦福大学的一个小组比较了钱德拉观察星系团随着时间的推移如何迅速增长到广义相对论的预测。结果是观察与理论之间几乎完全一致。
斯坦福大学卡夫利粒子天体物理与宇宙学研究所（KIPAC）和SLAC国家加速器实验室的大卫·拉佩蒂说：“爱因斯坦的理论再次成功，这一次是在计算在过去50亿年内在重力作用下形成的大量星团的数量。”谁领导了这项新研究。“令人兴奋和令人安心的是，我们的结果是广义相对论中最强大的一致性测试，但仍在宇宙学尺度上进行。”
Rapetti和他的同事根据现已解散的ROSAT X射线望远镜在整个天空中探测到的238个星团样本的结果。这些数据通过使用钱德拉的 71个远距离星团和使用ROSAT的23个相对附近的星团的详细质量测量得到增强，并结合超新星，宇宙微波背景，星系分布和星系团距离估计的研究。
星系团是探索宇宙整体的重要对象。由于对星系团质量的观测直接对重力特性敏感，因此它们提供了至关重要的信息。其他技术，如超新星观测或星系分布测量的宇宙距离，仅取决于宇宙的膨胀率。相比之下，Rapetti及其同事使用的聚类技术还测量了由重力驱动的宇宙结构的增长率。
“宇宙加速对我们对物理学的现代理解提出了巨大的挑战，”Rapetti的合着者，马里兰州戈达德太空飞行中心的Adam Mantz说。“加速度的测量突显了我们对宇宙尺度上的引力知之甚少，但我们现在开始消除我们的无知。”
f（R）重力！
解释观测到的宇宙膨胀加速度的一种可能方法是改变爱因斯坦的广义相对论。最简单的修改是引入宇宙学常数，这可以通过真空中存在的能量来解释。在f（R）引力和其他改进的引力模型中，科学家们超越了这种简单的修改。在f（R）引力模型中，时空对宇宙中物质的反应不同于广义相对论。
在广义相对论中，引力是空间和时间曲率的一种表现形式，其中这种曲率的来源是宇宙中质量和能量的所有形式。在没有任何质量或能量的时空可以变得完全平坦。f（R）引力的作用是允许时空作为其自身曲率的来源，因此即使时空完全为空且能量为零，仍然可能存在一些曲率。因此，当宇宙膨胀并排空时，一些曲率仍然存在，从而导致宇宙加速。
通过对重力进行这种修改，引入了额外的（“第五”）力。通过比较星系团质量与f（R）引力预测的观测结果，可以估算出第五力的范围。在小于该范围的距离尺度上，重力比爱因斯坦方程预测的要强。该范围越小，这种重力变化对星系团生长的影响就越小。
如果宇宙常数是宇宙加速的解释，则加速度将永远持续，局部群外的所有星系最终都会从视野中消失，从而形成一个孤独的宇宙。如果f（R）引力适用，那么第五种力量将在遥远的未来消失，宇宙膨胀将缓慢减速，并避免孤独的宇宙。在这些未来情景中的任何一个可以发挥作用之前，它将是数十亿年。
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