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詮釋。(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么，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(fā)現(xiàn)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——航天局的歐幾里得任務和宇航局的南希·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(zhàn)愛因斯坦引力理論的空間，”團隊成員、宇航局噴氣推進實驗室(JPL)的前博士后研究員阿格尼絲·菲德在一份聲明中說。
要了解為什么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。然后秋千突然加速，在沒有任何推力的情況下繼續(xù)快速移動。
科學家們的說法是，在大爆炸最初的推動之后，宇宙的膨脹應該會放緩。但事實并非如此。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(shù)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。并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(fā)生了什么。
一次對時空的探索
根據(jù)廣義相對論，質量會使時空的結構彎曲，質量越大的物體會產生更極端的曲率。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(fā)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為引力透鏡效應。
2022年7月11日，宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡公布了首張公開發(fā)布的科學質量圖像，這是迄今為止宇宙最深的紅外圖像。(圖片來源：國家航空航天局、航天局、加拿大標準協(xié)會;和太空望遠鏡研究所)
因為來自發(fā)光體的光通過多種路徑穿過星系一類的大質量物體——被稱為透鏡物體——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。
這并不意味著探索已經結束。天文學家現(xiàn)在將著重于歐幾里得和羅馬太空望遠鏡，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辟道路的變化。
據(jù)宇航局稱，雖然這項新研究觀察的是50億年前的星系，但歐幾里得將回顧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?yōu)闅W幾里得和羅馬做好準備之前，我們還有很多事情要做，”菲德說。“因此，我們必須繼續(xù)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日在里約熱內盧舉行的粒子物理與宇宙學國際會議(COSMO'22)上發(fā)表。一篇詳細介紹該團隊發(fā)現(xiàn)的論文已經發(fā)表在預印本庫arXiv.org上。
BY:Robert Lea
FY:jane
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