暗物質和暗能量的替代理論或許又錯了！

（之前探測到的中子星合併——給暗物質和暗能量替代理論帶來致命打擊）如果你問天體物理學家今天宇宙中最大的謎團是什麼，將得到的兩個最常見的答案是暗物質和暗能量。我們所知道的地球上所有的東西，原子，都是由其他基本粒子組成的，只占宇宙能量預算的5%左右。宇宙中95%的能量都存在於暗物質和暗能量這兩種形式中，它們從未被直接探測到，或者我們目前的宇宙圖景出了問題。

在合併的最後時刻，兩顆中子星不只是產生引力波，而是在電磁波譜上發生的災難性爆炸。光和引力波的到達時間的差異使我們能夠了解很多關於宇宙的知識，圖片：University of Warwick / Mark Garlick

這些已經被詳細地研究過，有許多選擇會導致輕微的物理後果。隨著第一次觀測到合併中子星，以及來自電磁波譜到達的引力波和光線的信號，大量的這些選項已經被排除在外。測試時暗物質和暗能量都符合能存在。

這是一種超暗融合動力的星系群Abell 370，引力質量(主要是暗物質)以藍色推斷。圖片：NASA, ESA, D. Harvey (Swiss Federal Institute of Technology), R. Massey (Durham University, UK), the Hubble SM4 ERO Team and ST-ECF

在天體物理學和宇宙學中有一些主要的謎題，暗物質和暗能量是用來解決的。對於暗物質，它們主要與星系的形成、旋轉和聚集有關;對於暗能量來說，它們是關於宇宙膨脹率及其隨時間變化的。如果你對引力理論做了適當的修改，就可以在不引入暗物質和/或暗能量的情況下改變一些可見的物體。那些研究這些替代品的人希望能找到正確的修改——這也使得新的預測與暗物質/暗能量不同——可以被測試。

宇宙網是由暗物質驅動的，其規模最大的結構是由膨脹率和暗能量所決定的。沿絲的小結構是由正常的、電磁相互作用的物質的坍塌形成的。圖片：Ralf Kaehler, Oliver Hahn and Tom Abel (KIPAC)

但是改變引力，無論是對暗物質還是暗能量的解釋，都是一個必須非常小心地玩的遊戲。愛因斯坦的廣義相對論已經得到了相當嚴格的檢驗，它的預言每次都被證實。如果改變了引力，也就改變了這個理論，所以必須以一種不會影響已經發生的觀測和測量的方式來做。因此有許多選擇，冒險進入一個沒有經過很好測試的制度：允許重力變化的速度。在愛因斯坦的理論中，重力的速度等於光速。但在許多替代方案中，這種假設得到了調整。

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通過插圖的大尺度投影是z = 0，以最大的集群為中心，15 Mpc/h deep。顯示暗物質密度(左)過渡到氣體密度(右)。宇宙的大尺度結構不能用暗物質來解釋，儘管許多修正的引力嘗試存在。圖片：Illustris Collaboration / Illustris Simulation

暗能量通常被認為是一種宇宙常數，即光速和重力的速度都是常數(和相等的)。替代公式反而添加了一些稍微複雜一些的東西一個標量欄位或一組附加欄位。這是一個通用的特性模型的修改，如協變Galileon，巨大的引力，Einstein-Aether理論，特維斯,Hořava引力。很多情況下取決於標量場如何與廣義相對論的標準「引力」(張量)場相互作用，因此引力的速度與光速或隨時間變化的速度不同。但是來自於合併中子星的伽馬射線和引力波在1.7秒內到達，這意味著重力的速度必須等於光速，超過了10^15分之一。

所有的無質量粒子以光速傳播，包括光子、膠子和引力波，它們分別攜帶電磁、強核和引力相互作用。來自GW170817的引力波和電磁波的到達時間幾乎相同，這一點非常重要。圖片：NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

因此在標準的暗能量的基礎上，有大量的替代方法被排除在外。事實上,1.7年代的光信號的到達時間的差異和重力波信號在距離地球1.3億光年的微乎其微的意味著引力的速度不能改變隨著時間的推移，也不能系統地高於或低於光速。如果你在引力的張量理論中加入一個標量場，會得到兩個通用效應：

一般來說有一個張量速度的超量項，它可以修改(增加)引力波的傳播速度。隨著宇宙膨脹，有效的普朗克質量的變化會改變引力波信號的阻尼。光的速度和引力的速度都是如此的精確，這意味著所有具有這種類型的修正的理論都是高度受限的，而且大多數這樣的模型在很大程度上被排除了。

由於引力波和電磁波的到達時間，許多試圖消除暗能量的引力變化被排除了。圖片：Jose María Ezquiaga and Miguel Zumalacárregui, Dark Energy after GW17081739

對於暗物質試圖改變引力力的嘗試變得更糟。最常見的改變是改變大質量物體之間力的定律，它改變了包含質量的時空區域的引力勢。當物體以光速傳播時，如光子或引力波，經過那個空間時，這些信號會根據廣義相對論的規則被延遲：夏皮羅時間延遲。從1.3億光年之外，如果標準暗物質模型是正確的，那麼插入物質的數量應該會延遲這一信號大約3年。但如果用這樣一種方法來改變引力就能擺脫暗物質，也就會極大地改變引力波在太空中的傳播特性。

當光、引力波或任何無質量粒子穿過含有大量物質的空間區域時，空間會被扭曲，光路徑彎曲，導致到達時間的延遲。在大多數改進的引力理論中，光和引力波的延遲是不同的。圖片：ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.

像貝肯斯坦(Bekenstein)的TeVeS和莫法特(Moffat)的MoG / scalar - tensor-vector

ideas這樣的非暗物質修正引力理論具有引力波在不同的測地線上傳播的特性，即不同的時空路徑——由光子和中微子所遵循。簡而言之，引力波應該沿著由正常物質所定義的路徑傳播，而光子和中微子應該沿著有效質量定義的路徑傳播:正常物質加上模擬暗物質的影響。這將使光子和引力波的到達時間相差大約800天，而不是觀測到的1.7秒。

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隨著引力波和電磁信號的相互關聯，這些無暗物質的場景被打破了。

在ngc4993之間的中子星與中子星的合併發生，以及它們在光/引力波傳播時所引起的量化延遲。圖片：Sibel Boran, Shantanu Desai, Emre Kahya, and Richard Woodard, 39;GW170817 Falsifies Dark Matter Emulators39;

當引力波和光子(電磁波)通過空間時，它們受到空間曲率和空間擴張的影響。也就是說只要廣義相對論的引力理論。如果修改了引力理論——試著排除暗物質和/或暗能量的需要，那麼引力波只會受到物質/質量部分的影響，而修改效應會影響光子和其他粒子。因為來自合併中子星的引力波和光信號同時到達，它們以同樣的速度穿過空間，並被相同的數量延遲：在一個千萬億分之一的範圍內。這一精確程度足以排除在沒有暗物質的情況下，對引力的修正理論的領先競爭者。

x射線(粉色)和各種碰撞星系團的整體物質(藍色)圖顯示了正常物質和引力效應之間的明顯分離，這是暗物質最有力的證據。現在另類理論需要如此精心設計，以至於許多人認為它們相當荒謬。圖片：X-ray: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland/D.Harvey NASA/CXC/Durham

Univ/R.Massey; Optical/Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) and R. Massey (Durham University, UK)

還有一些設計的模型可能會對引力的改變抱有希望，比如非本地引力理論(引力效應和質量的位置不匹配)，或者引力波和電磁波遵循兩種不同規則的理論。但即使是這些想法也受到了我們新的引力波觀測的嚴重製約，它們被要求在暗物質和暗能量的影響下變得更加緊密和緊密並不再適合的正確，修正後的引力還沒有消失，但其許多最大希望的都破滅了。然而愛因斯坦以其原始的、未修改的形式仍然適用存在。

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