宇宙中的一切都具有引力——并且也能感受到它。然而，这种最常见的基本力也是对物理学家提出的最大挑战。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论在描述恒星和行星的引力方面非常成功，但它似乎并不完美地适用于所有尺度。
广义相对论已经通过了多年的观测检验，从爱丁顿测量1919 年太阳将星光偏转到最近探测到引力波。然而，当我们尝试将其应用到极小的距离时，我们的理解中的差距开始出现，其中量子力学定律在起作用，或者当我们试图描述整个宇宙时。
我们的新研究，发表于《自然天文学》，现已在最大尺度上检验了爱因斯坦的理论。我们相信我们的方法有一天可能有助于解决宇宙学中一些最大的谜团，而结果表明广义相对论可能需要在这种规模上进行调整。
型号有问题？
量子理论预测真空中充满了能量。我们没有注意到它的存在，因为我们的设备只能测量能量的变化而不是其总量。
然而，根据爱因斯坦的说法，真空能量具有排斥引力——它将真空空间推开。有趣的是，1998 年，人们发现宇宙的膨胀实际上正在加速（这一发现荣获2011年诺贝尔物理学奖）。然而，解释加速度所需的真空能量或所谓的暗能量比量子理论预测的要小许多数量级。
因此，被称为“古老的宇宙常数问题”的大问题是，真空能量是否真的具有引力——施加引力并改变宇宙的膨胀。
如果是的话，那么为什么它的引力比预测的要弱得多？如果真空根本没有引力，那么是什么导致了宇宙加速呢？
我们不知道暗能量是什么，但我们需要假设它存在才能解释宇宙的膨胀。同样，我们还需要假设存在一种不可见物质的存在，称为暗物质，以解释星系和星团如何演化为我们今天观察到的方式。
这些假设被纳入科学家的标准宇宙学理论中，称为 lambda 冷暗物质 (LCDM) 模型，表明宇宙中存在 70% 的暗能量、25% 的暗物质和 5% 的普通物质。这个模型非常成功地拟合了宇宙学家在过去 20 年收集的所有数据。
但事实上，宇宙的大部分是由暗力和物质组成，取没有意义的奇怪值，这促使许多物理学家怀疑爱因斯坦的引力理论是否需要修改来描述整个宇宙。
几年前出现了一个新的转折，当时人们发现，测量宇宙膨胀速率（称为哈勃常数）的不同方法给出了不同的答案——这个问题被称为“哈勃常数”。哈勃张力。
分歧或张力存在于哈勃常数的两个值之间。第一个是 LCDM 宇宙学模型预测的数字，该模型是为了匹配而开发的大爆炸留下的光（宇宙微波背景辐射）。另一个是通过观察遥远星系中被称为超新星的爆炸恒星来测量的膨胀率。
宇宙微波背景。图片来源：美国宇航局
人们提出了许多修改 LCDM 的理论想法来解释哈勃张力。其中包括替代引力理论。
挖掘答案
我们可以设计测试来检查宇宙是否遵循爱因斯坦理论的规则。广义相对论将引力描述为空间和时间的弯曲或扭曲，弯曲光和物质传播的路径。重要的是，它预测光线和物质的轨迹应该以同样的方式被重力弯曲。
我们与宇宙学家团队一起测试广义相对论的基本定律。我们还探讨了修改爱因斯坦的理论是否有助于解决宇宙学的一些未决问题，例如哈勃张力。
为了查明广义相对论在大尺度上是否正确，我们首次同时研究它的三个方面。这些是宇宙的膨胀、引力对光的影响以及引力对物质的影响。
使用称为贝叶斯推理的统计方法，我们根据这三个参数在计算机模型中通过宇宙历史重建了宇宙的引力。我们可以利用来自普朗克卫星的宇宙微波背景数据、超新星目录以及对遥远星系的形状和分布的观测来估计参数。SDSS和的望远镜。然后，我们将重建结果与 LCDM 模型（本质上是爱因斯坦模型）的预测进行了比较。
我们发现了一些有趣的迹象，表明可能与爱因斯坦的预测不匹配，尽管统计显着性相当低。这意味着引力在大尺度上的作用可能会有所不同，并且广义相对论可能需要调整。
我们的研究还发现，仅通过改变引力理论来解决哈勃张力问题是非常困难的。完整的解决方案可能需要宇宙学模型中的一种新成分，这种成分在大爆炸后质子和电子首次结合形成氢之前就存在，例如一种特殊形式的暗物质、一种早期类型的暗能量或原始暗能量。磁场。或者，也许数据中存在未知的系统错误。
也就是说，我们的研究表明，可以使用观测数据来测试广义相对论在宇宙距离上的有效性。虽然我们还没有解决哈勃问题，但几年后我们将获得来自新探测器的更多数据。
这意味着我们将能够使用这些统计方法继续调整广义相对论，探索修改的极限，为解决宇宙学中的一些开放挑战铺平道路。
