Αυτή η σύνθετη εικόνα του γαλαξιακού σμήνους Abell 3376 δείχνει στοιχεία από το Chandra και το Παρατηρητήριο ROSAT (σε χρυσό), μια οπτική εικόνα από την Ψηφιοποιημένη Έρευνα του Ουρανού (σε κόκκινο, πράσινο και μπλε), και μια ραδιο εικόνα από το VLA σε μπλε χρώμα. Η εμφάνιση των δεδομένων των ακτίνων Χ σαν μια «σφαίρα», προκαλείται από μια συγχώνευση, καθώς το υλικό χύνεται στο γαλαξιακό σμήνος από τη δεξιά πλευρά. Το γιγάντιο ράδιο τόξο στην αριστερή πλευρά της εικόνας μπορεί να προκληθεί από τα κρουστικά κύματα που δημιουργούνται από αυτή τη συγχώνευση
Η κάθε ομάδα επιστημόνων επωφελήθηκε από τις εκτεταμένες παρατηρήσεις του Chandra σε σμήνη γαλαξιών, τα μεγαλύτερα αντικείμενα στο Σύμπαν που συνδέονται μεταξύ τους με τη βαρύτητα. Ένα αποτέλεσμα που αποκλείει κάθε επίδοξη θεωρία βαρύτητας που θα ήθελε να κτυπήσει τη Γενική Σχετικότητα, ενώ από την άλλη δείχνει ότι η θεωρία του Αϊνστάιν δουλεύει πάνω σε ένα ευρύ φάσμα χρόνων και αποστάσεων σε όλο το σύμπαν.
f (R) βαρύτητα
Μάλιστα το πρώτο πόρισμα αποδυναμώνει σημαντικά την ανταγωνίστρια θεωρία της Γενικής Σχετικότητας που είναι γνωστή ως "f (R) βαρύτητα" .
"Αν η Γενική Σχετικότητα είναι η πρωταθλήτρια στην βαρέων βαρών πυγμαχία, η άλλη θεωρία είχε ελπίσει ότι είναι σοβαρή υποψήφια για αυτή τη θέση", δήλωσε ο Fabian Schmidt του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνιας στην Πασαντένα, ο οποίος ήταν επικεφαλής της μελέτης. "Η εργασία μας δείχνει ότι οι πιθανότητες του να κλονιστεί κάποτε ο πρωταθλητής είναι πολύ λίγες."
Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί έχουν στρέψει την προσοχή τους σε ανταγωνιστικές θεωρίες για Γενικής Σχετικότητας ως μια πιθανή εξήγηση για την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Επί του παρόντος, η πιο δημοφιλής εξήγηση για την επιτάχυνση είναι η λεγόμενη κοσμολογική σταθερά, η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως η ενέργεια που υπάρχει στον κενό χώρο. Αυτή η ενέργεια αναφέρεται ως σκοτεινή ενέργεια για να τονίσει ότι δεν μπορεί να ανιχνευθεί άμεσα.
Στην f (R) θεωρία, η κοσμική επιτάχυνση προέρχεται όχι από μια εξωτική μορφή ενέργειας, αλλά από την τροποποίηση της βαρυτικής δύναμης. Η τροποποιημένη δύναμη, επίσης, επηρεάζει το ρυθμό με τον οποίο μικρές προσαυξήσεις της ύλης, μπορούν να μεγαλώσουν – κατά τη διάρκεια μεγάλων χρονικών διαστημάτων – τόσο, ώστε να γίνουν μεγάλα γαλαξιακά σμήνη, ανοίγοντας έτσι την δυνατότητα για μία ευαίσθητη δοκιμή της θεωρίας.
Ο Schmidt και οι συνάδελφοι του χρησιμοποίησαν εκτιμήσεις της μάζας από 49 σμήνη γαλαξιών στην τοπική γειτονιά μας, από τις παρατηρήσεις του Chandra, και τις συνέκριναν με τις προβλέψεις θεωρητικών μοντέλων και μελέτες των σουπερνόβα, του κοσμικού υπόβαθρου των μικροκυμάτων, καθώς και με την ευρείας κλίμακας κατανομή των γαλαξιών στο σύμπαν.
Δεν βρήκαν όμως κανένα αποδεικτικό στοιχείο ότι η βαρύτητα είναι διαφορετική από αυτή που προβλέπει η Γενική Σχετικότητα, σε κλίμακες μεγαλύτερες από 130 εκατομμύρια έτη φωτός. Το όριο αυτό αντιστοιχεί σε εκατονταπλάσια βελτίωση σε σχέση με τα όρια της εμβέλειας της τροποποιημένης βαρυτικής δύναμης, που μπορεί να ρυθμιστεί χωρίς τη χρήση των δεδομένων των σμηνών.
"Αυτή ήταν η ισχυρότερη πίεση που δέχθηκε ποτέ μια εναλλακτική λύση της Γενικής Σχετικότητας σε τέτοιας κλίμακας απόσταση", δήλωσε ο Schmidt. "Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι μπορούμε να εξετάσουμε την βαρύτητα αυστηρά στις κοσμολογικές κλίμακες, χρησιμοποιώντας τις παρατηρήσεις των γαλαξιακών σμηνών."
Ο λόγος για αυτή τη δραματική βελτίωση στους περιορισμούς μπορεί να αποδοθεί στην αυξημένη δράση των βαρυτικών δυνάμεων που ενεργούν πάνω σε σμήνη, σε αντίθεση με την καθολική διαστολή του υποβάθρου του σύμπαντος. Η τεχνική αυτή υπόσχεται, επίσης, να είναι μια καλή δοκιμή και για άλλα τροποποιημένα σενάρια βαρύτητας, όπως τα μοντέλα υπαγορεύονται από θεωρίες πολλών διαστάσεων και την θεωρία χορδών.
Και δεύτερη δοκιμασία της Γενικής Σχετικότητας
Μια δεύτερη, ανεξάρτητη μελέτη ενισχύει επίσης την Γενική Σχετικότητα με την απευθείας δοκιμή σε κοσμολογικές αποστάσεις και χρόνους. Μέχρι τώρα, η Γενική Σχετικότητα είχε ελεγχθεί μόνο με πειράματα από κλίμακες από το εργαστήριο έως το Ηλιακό Σύστημα, αφήνοντας ανοιχτή την πόρτα στη δυνατότητα να επαληθευτεί η Γενική Σχετικότητα σε πολύ μεγαλύτερες κλίμακες.
Για να ελέγξει αυτό το ζήτημα, μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ σύγκρινε παρατηρήσεις του Chandra για το πόσο γρήγορα γαλαξιακά σμήνη έχουν αναπτυχθεί διαχρονικά με τις προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας. Το αποτέλεσμα είναι σχεδόν πλήρης συμφωνία μεταξύ της παρατήρησης και της θεωρίας.
"Η θεωρία του Αϊνστάιν καταφέρνει και πάλι, αυτή τη φορά να υπολογίσει πόσα τεράστια σμήνη έχουν σχηματιστεί σύμφωνα με την έλξη της βαρύτητας κατά τη διάρκεια των τελευταίων πέντε δισεκατομμυρίων χρόνων," λέει ο David Rapetti του Ινστιτούτου Kavli, στον τομέα Αστροφυσικής και Κοσμολογίας, ο οποίος ηγήθηκε της νέας μελέτης. "Είναι συναρπαστικά και καθησυχαστικά συγχρόνως τα αποτελέσματά μας, η οποία είναι η πιο ισχυρή δοκιμασία για τη συνοχή της Γενικής Σχετικότητας που έχει ποτέ πραγματοποιηθεί στις κοσμολογικές κλίμακες."
Ο Rapetti και οι συνεργάτες του με βάση τα αποτελέσματά τους σε ένα δείγμα 238 σμηνών που ανιχνεύτηκαν σε ολόκληρο τον ουρανό από το τηλεσκόπιο ROSAT των ακτίνων-Χ που τώρα όμως δεν υπάρχει. Αυτά τα δεδομένα ενισχύθηκαν με λεπτομερείς μετρήσεις της μάζας σε 71 μακρινά σμήνη χρησιμοποιώντας το Chandra, και 23, σχετικά κοντινά, σμήνη χρησιμοποιώντας το ROSAT, και σε συνδυασμό με τις μελέτες σουπερνόβα, του κοσμικού υπόβαθρου των μικροκυμάτων, και την κατανομή των γαλαξιών καθώς και των εκτιμήσεων της απόστασης των γαλαξιακών σμηνών.
Τα σμήνη των γαλαξιών είναι σημαντικά αντικείμενα στην προσπάθεια μας να κατανοήσουμε το Σύμπαν στο σύνολό του. Επειδή οι παρατηρήσεις της μάζας των γαλαξιακών σμηνών είναι άμεσα ευαίσθητες με τις ιδιότητες της βαρύτητας, παρέχουν έτσι ζωτικής σημασίας πληροφορίες. Άλλες τεχνικές, όπως οι παρατηρήσεις σουπερνόβα ή η κατανομή των γαλαξιών μετρούν κοσμικές αποστάσεις, η οποία εξαρτάται μόνο από το ρυθμό διαστολής του σύμπαντος. Αντίθετα, η τεχνική που χρησιμοποιείται από τον Rapetti μετρά, επιπλέον, τον ρυθμό ανάπτυξης της κοσμικής δομής, όπως αυτή καθοδηγείται από την βαρύτητα.
"Η κοσμική επιτάχυνση αποτελεί μια μεγάλη πρόκληση για την σύγχρονη κατανόηση της Φυσικής», λέει ο Adam Mantz της NASA. .”Οι μετρήσεις της επιτάχυνσης έχουν τονίσει πόσο λίγα γνωρίζουμε για την βαρύτητα σε κοσμική κλίμακα, αλλά φαίνεται πως τώρα αρχίζουμε να αφήνουμε πίσω την άγνοια μας."
