暗物質(zhì)與引力的理論角逐——愛(ài)因斯坦總是對(duì)的

新的研究可以幫助科學(xué)家利用引力透鏡——來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光的扭曲——來(lái)研究宇宙的加速膨脹。

藝術(shù)家對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的詮釋。(圖片來(lái)源:咖啡?蓋蒂圖片社）

科學(xué)家們?nèi)栽趯ふ覑?ài)因斯坦廣義相對(duì)論的缺陷，以解釋推動(dòng)宇宙加速膨脹的神秘力量，但仍一無(wú)所獲。

研究人員研究了1億個(gè)星系，尋找引力強(qiáng)度在整個(gè)宇宙歷史上或在廣闊的宇宙距離上發(fā)生變化的跡象。這種變化的任何跡象都表明，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是不完整的，或者需要修改。變化還可以揭示暗能量是什么，除此之外，它是科學(xué)家們給任何導(dǎo)致宇宙加速膨脹的東西起的名字。

導(dǎo)致宇宙加速膨脹的原因。

盡管沒(méi)有發(fā)現(xiàn)重力強(qiáng)度的變化，但這項(xiàng)工作將幫助兩個(gè)即將到來(lái)的太空望遠(yuǎn)鏡——航天局的歐幾里得任務(wù)和宇航局的南?！じ窭俳z·羅馬太空望遠(yuǎn)鏡——以空間和時(shí)間尋找重力強(qiáng)度的變化。

“隨著測(cè)量越來(lái)越精確，仍然有挑戰(zhàn)愛(ài)因斯坦引力理論的空間，”團(tuán)隊(duì)成員、宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的前博士后研究員阿格尼絲·菲德在一份聲明中說(shuō)。

要了解為什么暗能量和宇宙的加速膨脹讓科學(xué)家們?nèi)绱瞬话玻胂笠幌峦浦锴系暮⒆?，看著她慢下?lái)，幾乎完全停止。然后秋千突然加速，在沒(méi)有任何推力的情況下繼續(xù)快速移動(dòng)。

科學(xué)家們的說(shuō)法是，在大爆炸最初的推動(dòng)之后，宇宙的膨脹應(yīng)該會(huì)放緩。但事實(shí)并非如此。它正在加速，而“暗能量”這個(gè)術(shù)語(yǔ)是驅(qū)動(dòng)這種加速的神秘力量的一個(gè)占位符。

因此，暗能量實(shí)際上是在與引力對(duì)抗——當(dāng)引力把宇宙物體拉到一起時(shí)，暗能量就會(huì)把它們推開(kāi)。由于暗能量約占宇宙能量和物質(zhì)總質(zhì)量的68%，這是研究人員渴望解決的一個(gè)謎。因此，暗能量調(diào)查小組使用智利的維克多·M·布蘭科4米望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀察50億年前的情況。

通過(guò)空間和時(shí)間測(cè)試重力

光以恒速度傳播，這意味著天文學(xué)家看到的遙遠(yuǎn)的宇宙物體是它們過(guò)去的樣子。

例如，光從太陽(yáng)到地球大約需要7分鐘，所以我們從地球上看到的恒星是7分鐘前的樣子。在更遠(yuǎn)的地方，當(dāng)天文學(xué)家觀察一光年外的銀河系物體時(shí)，他們看到的是一年前的樣子。對(duì)于詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡正在研究的一些遙遠(yuǎn)的星系，光已經(jīng)向我們傳播了數(shù)百億年，我們看到的星系是138億年前的宇宙處于相對(duì)嬰兒期時(shí)的樣子。并不是對(duì)星系本身的觀測(cè)暗示了引力強(qiáng)度的變化，而是它們的光在到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的漫長(zhǎng)旅程中發(fā)生了什么。

一次對(duì)時(shí)空的探索

根據(jù)廣義相對(duì)論，質(zhì)量會(huì)使時(shí)空的結(jié)構(gòu)彎曲，質(zhì)量越大的物體會(huì)產(chǎn)生更極端的曲率。一個(gè)常見(jiàn)的類(lèi)比是把不同重量的球放在一張拉伸的橡皮板上。保齡球在球墊上留下的凹痕比網(wǎng)球更深;恒星比行星更能扭曲時(shí)空。

像星系一類(lèi)的物體如此強(qiáng)烈地扭曲時(shí)空，當(dāng)光經(jīng)過(guò)星系時(shí)，它的路徑是彎曲的，光到達(dá)地球時(shí)，發(fā)射它的物體在天空中的視位置也會(huì)變化。天文學(xué)家稱(chēng)這種效應(yīng)為引力透鏡效應(yīng)。

2022年7月11日，宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡公布了首張公開(kāi)發(fā)布的科學(xué)質(zhì)量圖像，這是迄今為止宇宙最深的紅外圖像。(圖片來(lái)源：國(guó)家航空航天局、航天局、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì);和太空望遠(yuǎn)鏡研究所)

因?yàn)閬?lái)自發(fā)光體的光通過(guò)多種路徑穿過(guò)星系一類(lèi)的大質(zhì)量物體——被稱(chēng)為透鏡物體——引力透鏡使光源從視覺(jué)上扭曲、放大，甚至在天空中的多個(gè)方位，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一張照片中，引力透鏡中遙遠(yuǎn)的星系變得模糊不清。)

然而，引力透鏡效應(yīng)的影響更加微妙，這些微妙的影響通常由其中的暗物質(zhì)引起。由于暗物質(zhì)只與引力相互作用，而忽略了光和其他物質(zhì)，因此它的形狀和結(jié)構(gòu)僅由引力引起。

愛(ài)因斯坦又對(duì)了

在最近的研究中，暗能量研究的科學(xué)家們?cè)谶b遠(yuǎn)星系的圖像中尋找這些被稱(chēng)為“弱引力透鏡”的微妙扭曲。研究人員推斷，這將揭示透鏡星系中暗物質(zhì)分布的變化，這反過(guò)來(lái)又暗示了引力強(qiáng)度隨時(shí)間和空間的變化—從而揭示神秘的暗能量。

對(duì)1億個(gè)星系中暗物質(zhì)形狀的觀察表明，一切仍然符合愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。

這并不意味著探索已經(jīng)結(jié)束。天文學(xué)家現(xiàn)在將著重于歐幾里得和羅馬太空望遠(yuǎn)鏡，分別于2023年和2027年發(fā)射，在更古老的星系中尋找重力的變化，希望能發(fā)現(xiàn)可能為理解暗能量開(kāi)辟道路的變化。

據(jù)宇航局稱(chēng)，雖然這項(xiàng)新研究觀察的是50億年前的星系，但歐幾里得將回顧80億年前的星系，而羅曼將回顧得更遠(yuǎn)，觀察110億年前的星系。

“在我們?yōu)闅W幾里得和羅馬做好準(zhǔn)備之前，我們還有很多事情要做，”菲德說(shuō)。“因此，我們必須繼續(xù)與世界各地的科學(xué)家合作解決這個(gè)問(wèn)題，就像我們?cè)诎的芰空{(diào)查中所做的那樣?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果于8月23日在里約熱內(nèi)盧舉行的粒子物理與宇宙學(xué)國(guó)際會(huì)議(COSMO'22)上發(fā)表。一篇詳細(xì)介紹該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的論文已經(jīng)發(fā)表在預(yù)印本庫(kù)arXiv.org上。

BY:Robert Lea

FY:jane

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