暗物質與引力的理論角逐——愛因斯坦總是對的

新的研究可以幫助科學家利用引力透鏡——來自遙遠星系的光的扭曲——來研究宇宙的加速膨脹。

藝術家對愛因斯坦廣義相對論的诠釋。(圖片來源:咖啡•蓋蒂圖片社）

科學家們仍在尋找愛因斯坦廣義相對論的缺陷，以解釋推動宇宙加速膨脹的神秘力量，但仍一無所獲。

研究人員研究了1億個星系，尋找引力強度在整個宇宙曆史上或在廣闊的宇宙距離上發生變化的迹象。這種變化的任何迹象都表明，愛因斯坦的廣義相對論是不完整的，或者需要修改。變化還可以揭示暗能量是什麽，除此之外，它是科學家們給任何導致宇宙加速膨脹的東西起的名字。

導致宇宙加速膨脹的原因。

盡管沒有發現重力強度的變化，但這項工作將幫助兩個即將到來的太空望遠鏡——歐洲航天局的歐幾裏得任務和美國宇航局的南希·格蕾絲·羅馬太空望遠鏡——以空間和時間尋找重力強度的變化。

“隨著測量越來越精確，仍然有挑戰愛因斯坦引力理論的空間，”團隊成員、美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)的前博士後研究員阿格尼絲·菲德在一份聲明中說。

要了解爲什麽暗能量和宇宙的加速膨脹讓科學家們如此不安，想象一下推著秋千上的孩子，看著她慢下來，幾乎完全停止。然後秋千突然加速，在沒有任何推力的情況下繼續快速移動。

科學家們的說法是，在大爆炸最初的推動之後，宇宙的膨脹應該會放緩。但事實並非如此。它正在加速，而“暗能量”這個術語是驅動這種加速的神秘力量的一個占位符。

因此，暗能量實際上是在與引力對抗——當引力把宇宙物體拉到一起時，暗能量就會把它們推開。由于暗能量約占宇宙能量和物質總質量的68%，這是研究人員渴望解決的一個謎。因此，暗能量調查小組使用智利的維克多·M·布蘭科4米望遠鏡來觀察50億年前的情況。

通過空間和時間測試重力

光以恒速度傳播，這意味著天文學家看到的遙遠的宇宙物體是它們過去的樣子。

例如，光從太陽到地球大約需要7分鍾，所以我們從地球上看到的恒星是7分鍾前的樣子。在更遠的地方，當天文學家觀察一光年外的銀河系物體時，他們看到的是一年前的樣子。對于詹姆斯·韋伯望遠鏡正在研究的一些遙遠的星系，光已經向我們傳播了數百億年，我們看到的星系是138億年前的宇宙處于相對嬰兒期時的樣子。並不是對星系本身的觀測暗示了引力強度的變化，而是它們的光在到達望遠鏡的漫長旅程中發生了什麽。

一次對時空的探索

根據廣義相對論，質量會使時空的結構彎曲，質量越大的物體會産生更極端的曲率。一個常見的類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球更深;恒星比行星更能扭曲時空。

像星系一類的物體如此強烈地扭曲時空，當光經過星系時，它的路徑是彎曲的，光到達地球時，發射它的物體在天空中的視位置也會變化。天文學家稱這種效應爲引力透鏡效應。

2022年7月11日，美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡公布了首張公開發布的科學質量圖像，這是迄今爲止宇宙最深的紅外圖像。(圖片來源：美國國家航空航天局、歐洲航天局、加拿大標准協會;和太空望遠鏡研究所)

因爲來自發光體的光通過多種路徑穿過星系一類的大質量物體——被稱爲透鏡物體——引力透鏡使光源從視覺上扭曲、放大，甚至在天空中的多個方位，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡拍攝的第一張照片中，引力透鏡中遙遠的星系變得模糊不清。)

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

愛因斯坦又對了

在最近的研究中，暗能量研究的科學家們在遙遠星系的圖像中尋找這些被稱爲“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分布的變化，這反過來又暗示了引力強度隨時間和空間的變化—從而揭示神秘的暗能量。

對1億個星系中暗物質形狀的觀察表明，一切仍然符合愛因斯坦的廣義相對論。

這並不意味著探索已經結束。天文學家現在將著重于歐幾裏得和羅馬太空望遠鏡，分別于2023年和2027年發射，在更古老的星系中尋找重力的變化，希望能發現可能爲理解暗能量開辟道路的變化。

據美國宇航局稱，雖然這項新研究觀察的是50億年前的星系，但歐幾裏得將回顧80億年前的星系，而羅曼將回顧得更遠，觀察110億年前的星系。

“在我們爲歐幾裏得和羅馬做好准備之前，我們還有很多事情要做，”菲德說。“因此，我們必須繼續與世界各地的科學家合作解決這個問題，就像我們在暗能量調查中所做的那樣。”

該團隊的研究結果于8月23日在裏約熱內盧舉行的粒子物理與宇宙學國際會議(COSMO'22)上發表。一篇詳細介紹該團隊發現的論文已經發表在預印本庫arXiv.org上。

BY:Robert Lea

FY:jane

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