冷暗物质的存在让宇宙引力不随时间而变化

一个多世纪以来,天文学家已经知道宇宙大爆炸以来一直在膨胀。在宇宙成形的最初80亿年中,由于受到万有引力的阻碍,宇宙的膨胀率相对稳定。

然而,多亏了像哈勃太空望远镜这类执行的任务,天文学家已经了解到大约从50亿年前,膨胀的速度一直在加快。

这导致了一种被广泛接受的理论,即宇宙膨胀背后是一种神秘的力量(称为暗能量)影响,而有些人坚持认为引力可能会随着时间而改变。

这是一个有争议的假设,因为它意味着爱因斯坦的“广义相对论”是错误的。

宇宙大爆炸理论是目前最流行的宇宙起源理论
宇宙大爆炸理论是目前最流行的宇宙起源理论

国际暗能量调查(DES)合作组织

根据国际暗能量调查(DES)合作组织的一项新研究,引力的性质在整个宇宙历史中一直保持不变。

这些发现是在两台下一代太空望远镜(南希·格雷斯·罗曼太空望远镜和欧几里德望远镜)被送往太空进行更精确的引力测量及其在宇宙演化中的作用之前不久发布的。

DES合作组织是由来自美国、英国、加拿大、智利、西班牙、巴西、德国、日本、意大利、澳大利亚、挪威和瑞士的大学和研究所的研究人员组成。

他们在8月22日至26日在里约热内卢举行的国际粒子物理和宇宙学会议(COSMO’22)上发表了他们第三年的研究结果。

他们还在美国物理学会期刊《物理评论D》上发表了一篇题为《暗能量调查第三年的结果:对具有弱透镜和星系群的Lambda CDM(又称ΛCDM模型,是Λ-冷暗物质(Cold Dark Matter)模型的简称)扩展的约束》的论文。

Lambda CDM冷暗物质模型

爱因斯坦在1915年完成的“广义相对论”描述了在引力存在下时空曲率是如何改变的。

一个多世纪以来,这个理论几乎准确地预测了我们宇宙中的一切,从水星的轨道和引力透镜到黑洞的存在。

但在1960年代和1990年代之间,发现了两个差异,导致天文学家怀疑爱因斯坦的理论是否正确。首先,天文学家注意到大质量结构(如星系和星系团)的引力效应与他们观察到的质量不一致。

这产生了一个理论,即空间充满了一种看不见的质量,它通过引力与“正常的”(又可说是“发光的”或可见的)物质相互作用。同时,观测到的宇宙膨胀(以及它如何受到加速)产生了暗能量理论和Lambda冷暗物质(Lambda CDM)宇宙学模型。

Lambda CDM冷暗物质模型
Lambda CDM冷暗物质模型

冷暗物质是一种解释,这种质量是由大的、缓慢移动的粒子组成,而Lambda代表暗能量。理论上,这两种力构成了宇宙总质能含量的95%,但所有寻找它们直接证据的尝试都失败了。

唯一可能的选择是需要修改相对论以解释这些差异。为了查明情况是否如此,DES的成员使用位于智利托洛洛山美洲际天文台的Victor M.Blanco 4米望远镜观察了距离50亿光年外的星系。

他们希望确定引力是否在过去50亿年(自加速开始)或宇宙距离上有所变化。他们还参考了其他望远镜的数据,包括欧洲太空总署的普朗克卫星,该卫星自2009年以来一直在绘制宇宙微波背景(CMB)地图。

他们密切关注他们看到的图像是如何包含由于暗物质(引力透镜)造成的微妙扭曲。正如詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)发布的第一张图像所示,科学家可以通过分析引力透镜扭曲时空的程度来推断引力强度。

暗物质的未来研究

到目前为止,DES合作组织已经测量了超过1亿个星系的形状,并且观测结果都与广义相对论的预测相符。好消息是爱因斯坦的理论仍然成立,但这也意味着暗能量之谜暂时仍然存在。

幸运的是,天文学家无需等待很长时间即可获得新的更详细的数据。首先是欧洲太空总署的Euclid任务,最迟将于2023年发射。这项任务将绘制宇宙的几何图,追溯80亿年的过去,以测量暗物质和暗能量的影响。

到2027年5月,NASA的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜将加入它,该望远镜将回顾超过110亿年。这些将是有史以来最详细的宇宙学调查,预计将为Lambda-CDM模型提供最有说服力的证据(或反对)。

随着测量变得越来越精确,爱因斯坦的引力理论仍有挑战的空间。但在我们为南希·格雷斯·罗曼太空望远镜和欧几里德望远镜做好准备之前,我们还有很多工作要做。因此,我们必须继续与世界各地的科学家合作解决问题,就像我们在暗能量调查中所做的那样。

暗物质对宇宙的影响
暗物质对宇宙的影响

此外,韦伯太空望远镜对宇宙中最早的恒星和星系的观测,将使天文学家能够绘制出宇宙最早时期的演化图。这些努力有可能解答宇宙中一些最紧迫的谜团。

其中包括相对论与观测到的宇宙质量和膨胀是如何重合的,但也可以提供对引力和宇宙的其他基本力(如量子力学所描述的)如何相互作用的见解——万物理论(ToE)。

如果说当前天文学时代有什么特点的话,那就是通过长期调查和运用新一代仪器,共同检验那些迄今为止一直是理论内容的东西。

这些可能导致的潜在突破肯定会让我们既高兴又困惑。但最终,它们将彻底改变我们看待宇宙的方式。

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