这张图片是NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜发布的首张图片,展示了星系团 SMACS 0723。由于一种称为引力透镜的现象,一些星系看起来被涂抹或拉伸。这种效应可以帮助科学家绘制宇宙中暗物质的存在图。
影像来源:NASA, ESA, CSA, and STScI

天体物理学中最大的谜题之一能否通过重新修正阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论来解决?一项由NASA科学家共同撰写的新研究称,目前还不能。

宇宙正在加速膨胀,科学家们还不知道原因。这一现象似乎与研究人员对引力对宇宙影响的理解相矛盾:就像你把一个苹果扔到空中,它持续上升,并且速度越来越快。这种被称为暗能量的加速的原因仍然是个谜。

国际暗能量调查局利用智利的维克多·M·布兰科4米望远镜进行的一项新研究,标志着最新的努力,以确定这是否只是一个误解:即对整个宇宙范围内引力如何运作的预期有缺陷或不完整。这种潜在的误解可能有助于科学家解释暗能量。但这项研究(迄今为止对阿尔伯特·爱因斯坦的宇宙尺度引力理论最精确的测试之一)发现目前的理解似乎仍然是正确的。

该研究结果由一组科学家撰写,其中包括一些来自NASA喷气推进实验室的科学家,于8月23日星期三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。这项工作有助于为两台即将推出的太空望远镜奠定了基础,这两台望远镜将以比新研究更高的精度探索我们对引力的理解,或许最终会解开这个谜团。

一个多世纪前,阿尔伯特·爱因斯坦发展了广义相对论来描述引力,迄今为止,它已经准确地预测了从水星的轨道到黑洞的存在的一切。但是,一些科学家认为,如果这个理论不能解释暗能量,那么他们可能需要修改一些方程或添加新的成分。

为了查明情况是否如此,暗能量调查的成员们寻找证据,证明引力的强度在整个宇宙的历史或宇宙距离上都有变化。一个积极的发现表明爱因斯坦的理论是不完整的,这可能有助于解释宇宙的加速膨胀。他们还研究了除布兰科望远镜外的其他望远镜的数据,包括欧洲航天局(ESA)普朗克卫星,并得出了相同的结论。

研究发现爱因斯坦的理论仍然有效。所以还不能解释暗能量。但这项研究将用于两个即将到来的任务:ESA的欧几里得任务,计划不早于 2023 年发射,由NASA出资;以及NASA的南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜,目标是在2027年5月之前发射。这两台望远镜都将搜索引力强度随时间或距离的变化。

模糊的视野

科学家如何知道宇宙过去发生了什么?答案是通过观察远处的物体。光年是光在一年中传播的距离的度量单位(约6万亿英里,或约9.5万亿公里)。这意味着一光年外的物体在我们看来就像一年前光第一次离开物体时一样。数十亿光年之外的星系在我们看来就像数十亿年前一样。这项新的研究着眼于过去50亿年前的星系。欧几里德将追溯到80亿年前,罗曼将追溯到110亿年前。

星系本身并没有显示出引力的强度,但从地球上看它们的样子却能揭示引力的强度。我们宇宙中的大多数物质是暗物质,我们宇宙中的大多数物质都是暗物质,不会发射、反射或以其他方式与光相互作用。虽然科学家们不知道它是由什么组成,但他们知道它在那里,因为它的引力把它暴露了:我们宇宙中大量的暗物质会扭曲空间本身。当光在太空中传播时,它会遇到这些扭曲的空间,导致遥远星系的图像出现弯曲或模糊。这是NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜发布的首批图像之一。

这段视频解释了引力透镜现象,它会导致星系图像扭曲或模糊。这种扭曲是由引力引起,科学家可以利用这种效应来探测不发射或反射光的暗物质。
影像来源:NASA’s Goddard Space Flight Center

暗能量调查的科学家们在星系图像中寻找由于暗物质弯曲空间而引起的更细微的扭曲,这种效应称为弱引力透镜效应。引力的强度决定了暗物质结构的大小和分布,而大小和分布又决定了这些星系在我们看来的扭曲程度。这就是为什么图像可以揭示宇宙历史上不同距离和不同时间的引力强度。该团队现在已经测量了超过1亿个星系的形状,到目前为止,观测结果与爱因斯坦理论的预测相符。

“随着测量越来越精确,爱因斯坦的引力理论仍有挑战的空间,”该研究的合著者阿涅斯·费尔特说,他作为JPL的博士后研究员进行了这项研究。“但在我们准备好迎接欧几里德和罗曼之前,我们还有很多事情要做。因此,我们必须继续与世界各地的科学家合作解决这个问题,就像我们在暗能量调查中所做的那样。”

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-scientists-help-probe-dark-energy-by-testing-gravity

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