随爱因斯坦的引力理论通过了另一个测试暗能量仍然是一个秘密

By Robert Lea 

2022/8/30

Science & Astronomy

新的研究可以帮助科学家用引力透镜 - 来自遥远星系光的翘曲 - 来调查宇宙的加速膨胀。

艺术家的爱因斯坦广义相对论的解释。 (Image credit: coffeekai via Getty Images)

科学家们仍正在狩猎爱因斯坦的可以解释驱动宇宙加速膨胀的神秘力的广义相对论中的缺陷中空手而归。

研究人员研究了1亿个星系，寻找已经在整个宇宙历史或广袤的宇宙距离上引力强度变化的迹象。任何这种变化的一个迹象会表明爱因斯坦的广义相对论是不完整的或需要修改的。变化也可以揭示暗能量是什么，除此之外它是科学家赋予凡是正在造成宇宙的膨胀来加速的东西的称呼。

尽管没有发现引力强度中的这种变化，但这项工作将帮助两个即将推出的太空望远镜 - 欧洲航天局的欧几里得使命和美国宇航局的南希格雷斯罗曼太空望远镜 - 也通过太空和向后通过时间狩猎引力强度中的变化，。

     美国宇航局喷气推进实验室（JPL）的团队成员和前博士后研究员阿哥涅斯菲尔特在一份声明中说，“随着测量变得越来越精确，仍然有来挑战爱因斯坦的引力理论的空间”。

     要看为什么暗能量和宇宙加速膨胀对科学家是如此令人不安，想象在一个秋千上推一个孩子，观望她放慢下来几乎到一个完全停止。然后突然间这个秋千突然的加速起来，不用任何推动保持更快的移动。

科学家的等价物是在大爆炸的最初推动后宇宙的膨胀应该正在减慢。但它不是。它正在加速，而“暗能量”一词是一个驱动这种加速的神秘力量的占位符。

    因此，暗能量效果上正在起与引力对抗的作用 – 随引力将它们拉在一起将宇宙天体推分开。而因为暗能量约占宇宙能量和物质含量的68%，这是一个研究人员更渴望来解决的秘密。

因此，暗能量勘察小组使用智利的维克多·布兰科4米望远镜来看回时间中50亿年。

通过空间和时间测试引力

光以恒定的速度传播，这意味着天文学家看遥远的宇宙天体就像它们在过去中一样。

例如，光从太阳到地球大约要用七分钟，因此从我们的星球我们看到我们的恒星就像它是七分钟前一样。场所再往前走，当天文学家观察一个一光年外银河系的天体时，他们看到它就像它是一年前的样子一样。对于詹姆斯·韦伯望远镜正在研究的一些遥远星系，光一直向我们传播了数百亿年，我们看这些星系就像当138亿年老的宇宙处在它的相对婴儿时的样子一样。

然而，这不是可能暗示引力强度中的变化的星系本身的观测，而是在它的到望远镜的漫长旅程中它们的光已经发生了的。

一个进入空时的侵略

按照广义相对论，质量弯曲空时的非常织造，质量更大的天体造成更极端的曲率。一个常见的类比涉及将各种重量的球放在一个拉伸的橡胶板上。一个保龄球在橡胶板上比一个网球创造一个更深的凹，一颗恒星比一颗行星更翘曲空时。

像星系这样的天体翘曲空时如此的强烈以至于随光通过一个星系它的路径是弯曲的。当这个光到达地球时，发射它的天体移动在天空中的表观位置。天文学家叫这种效应为引力透镜效应。

由于来自一个背景天体的光能走不同的路径经过一个大质量天体如一个星系- 指为一个透镜的天体 - 引力透镜能使光源看起来扭曲的、放大的或甚至在天空中的多个地方。（正是引力透镜在来自詹姆斯·韦伯太空望远镜的第一张图像中模糊了遥远的星系）。

然而，引力透镜效应的影响能是更微妙的，而这些微妙的影响往往被透镜天体中的暗物质造成。由于暗物质只与引力相互作用，完全忽略光和其它物质，它的形状和结构仅被这种力造成。

2022年7月11日，美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜）首次公开发布的科学质量图像是迄今为止最深的宇宙红外视图。. (Image credit: NASA, ESA, CSA, and STScI)

爱因斯坦是对的（再次）

但回到新的研究。暗能量勘察的科学家们在遥远星系的图像中寻找这些微妙的叫“弱引力透镜”扭曲。研究人员究因了这将揭示在透镜星系中暗物质分布中的变化，这反过来又会暗示在时间和空间上引力强度中的变化 - 也许揭示神秘的暗能量。

然而，对1亿个星系中暗物质形状的观测表明了一切仍然与爱因斯坦的广义相对论保持一致的。

然而，这并不意味着这个寻求已经结束。天文学家现在将转向分别定于2023年和2027年发射的欧几里得和罗曼太空望远镜，来寻找在仍更古老的星系中引力的这些变化，希望发现可能朝向理解暗能量设定一个路线的变化。

按照美国宇航局，虽然这项新研究观察了就像它们是50亿年前一样的星系，但欧几里得将回看80亿年，罗曼将甚至进一步，观察就像它们是110亿年前一样的星系。

菲尔特说，“在我们为欧几里得和罗曼做好准备之前我们还有如此多事情要做，因此我们必须继续与世界各地的科学家就这个问题进行合作是非常重要的，就像我们已经在暗能量勘察中所做的那样”。

该团队的结果于8月23日在里约热内卢举行的国际粒子物理和宇宙学会议（COSMO'22）上发表。一篇详细介绍团队调查结果的论文已发布在预印本存储库 arXiv.org中。