物理學：愛因斯坦的理論與其挑戰者進行對抗！
這個星系團Abell 3376的合成圖像顯示了Chandra和ROSAT X射線數據（金色），來自數字化天空測量的光學圖像（紅色，綠色和藍色），以及來自VLA（藍色）的無線電圖像。兩個不同的團隊使用錢德拉觀察星系團 - 包括阿貝爾3376 - 來研究宇宙尺度上的引力特性，並測試愛因斯坦的廣義相對論。這些研究對於理解宇宙在過去和未來的演化以及探索暗能量的本質至關重要，暗能量是科學中最大的謎團之一。圖片來源：X射線：NASA / CXC / SAO / A.Vikhlinin;ROSAT Optical：DSS Radio：NSF / NRAO / VLA / IUCAA / J.Bagchi。
兩項新的獨立研究使愛因斯坦的廣義相對論從未像現在這樣受到考驗。使用美國宇航局錢德拉X射線天文臺製作的這些結果表明，愛因斯坦的理論仍然是城裡最好的遊戲。
每個科學家團隊都利用廣泛的錢德拉觀察星系團，宇宙中最大的物體是由重力束縛在一起的。一個結果削弱了廣義相對論的競爭引力模型，而另一個結果表明愛因斯坦的理論在宇宙中的廣泛時間和距離上起作用。
第一個發現顯著削弱了廣義相對論的競爭對手，稱為“f（R）引力”。
“如果廣義相對論是重量級拳擊冠軍，那麼另一種理論就是希望成為新貴的競爭者，”帕薩迪納加州理工學院的Fabian Schmidt領導了這項研究。“我們的工作表明，它擊敗冠軍的可能性非常小。”
近年來，物理學家將他們的注意力轉向廣義相對論的競爭理論，作為宇宙加速擴張的可能解釋。目前，對加速度最流行的解釋是所謂的宇宙常數，可以理解為存在於空間中的能量。這種能量被稱為暗能量，以強調它不能被直接檢測到。
在f（R）理論中，宇宙加速度不是來自外來形式的能量，而是來自重力的修正。修正後的力量也會影響物質的微小增強能夠在長時間內生長成為大質量星系團的速率，從而開啟了對理論進行敏感測試的可能性。
Schmidt及其同事利用Chandra觀測資料對當地宇宙中49個星系團進行了質量估算，並將其與理論模型預測和超新星研究，宇宙微波背景以及星系的大規模分佈進行了比較。
他們沒有發現重力與廣義相對論在大於1.3億光年的尺度上不同的證據。該限制對應於可以在不使用簇數據的情況下設置的修改的重力範圍的界限上的百倍改進。施密特說：“這是在如此大的距離尺度上替代廣義相對論的最強約束。” “我們的研究結果表明，通過觀測星系團，我們可以嚴格地探測宇宙學尺度上的重力。”
約束的這種顯著改善的原因可以追溯到集群中作用的極大增強的重力，而不是宇宙的普遍背景擴張。聚類增長技術也有望成為其他修正引力場景的良好探索，例如由高維理論和絃理論推動的模型。
第二項獨立研究還通過在宇宙學距離和時間上直接測試它來支持廣義相對論。到目前為止，廣義相對論只能通過從實驗室到太陽系統尺度的實驗得到驗證，這使得廣義相對論在更大規模上分解的可能性敞開大門。
模擬顯示宇宙從大爆炸後不久發展到今天。當宇宙膨脹和冷卻時，由於重力的影響，物質開始聚集在一起，並且數十億年來形成了諸如星系和星系團等大型結構。隨著宇宙膨脹加速，過去50億年來暗能量已經抑制了這種增長。錢德拉觀察了星系團隨時間的增長以及附近宇宙中星系團的重量分佈，已用於測試愛因斯坦的廣義相對論，並在宇宙尺度上測試另一種引力理論。
為了探究這個問題，斯坦福大學的一個小組比較了錢德拉觀察星系團隨著時間的推移如何迅速增長到廣義相對論的預測。結果是觀察與理論之間幾乎完全一致。
斯坦福大學卡夫利粒子天體物理與宇宙學研究所（KIPAC）和SLAC國家加速器實驗室的大衛·拉佩蒂說：“愛因斯坦的理論再次成功，這一次是在計算在過去50億年內在重力作用下形成的大量星團的數量。”誰領導了這項新研究。“令人興奮和令人安心的是，我們的結果是廣義相對論中最強大的一致性測試，但仍在宇宙學尺度上進行。”
Rapetti和他的同事根據現已解散的ROSAT X射線望遠鏡在整個天空中探測到的238個星團樣本的結果。這些數據通過使用錢德拉的 71個遠距離星團和使用ROSAT的23個相對附近的星團的詳細質量測量得到增強，並結合超新星，宇宙微波背景，星系分佈和星系團距離估計的研究。
星系團是探索宇宙整體的重要對象。由於對星系團質量的觀測直接對重力特性敏感，因此它們提供了至關重要的信息。其他技術，如超新星觀測或星系分佈測量的宇宙距離，僅取決於宇宙的膨脹率。相比之下，Rapetti及其同事使用的聚類技術還測量了由重力驅動的宇宙結構的增長率。
“宇宙加速對我們對物理學的現代理解提出了巨大的挑戰，”Rapetti的合著者，馬里蘭州戈達德太空飛行中心的Adam Mantz說。“加速度的測量突顯了我們對宇宙尺度上的引力知之甚少，但我們現在開始消除我們的無知。”
f（R）重力！
解釋觀測到的宇宙膨脹加速度的一種可能方法是改變愛因斯坦的廣義相對論。最簡單的修改是引入宇宙學常數，這可以通過真空中存在的能量來解釋。在f（R）引力和其他改進的引力模型中，科學家們超越了這種簡單的修改。在f（R）引力模型中，時空對宇宙中物質的反應不同於廣義相對論。
在廣義相對論中，引力是空間和時間曲率的一種表現形式，其中這種曲率的來源是宇宙中質量和能量的所有形式。在沒有任何質量或能量的時空可以變得完全平坦。f（R）引力的作用是允許時空作為其自身曲率的來源，因此即使時空完全為空且能量為零，仍然可能存在一些曲率。因此，當宇宙膨脹並排空時，一些曲率仍然存在，從而導致宇宙加速。
通過對重力進行這種修改，引入了額外的（“第五”）力。通過比較星系團質量與f（R）引力預測的觀測結果，可以估算出第五力的範圍。在小於該範圍的距離尺度上，重力比愛因斯坦方程預測的要強。該範圍越小，這種重力變化對星系團生長的影響就越小。
如果宇宙常數是宇宙加速的解釋，則加速度將永遠持續，局部群外的所有星系最終都會從視野中消失，從而形成一個孤獨的宇宙。如果f（R）引力適用，那麼第五種力量將在遙遠的未來消失，宇宙膨脹將緩慢減速，並避免孤獨的宇宙。在這些未來情景中的任何一個可以發揮作用之前，它將是數十億年。
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