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暗物质与引力的理论角逐——爱因斯坦总是对的
新的研究可以帮助科学家利用引力透镜——来自遥远星系的光的扭曲——来研究宇宙的加速膨胀。
艺术家对爱因斯坦广义相对论的诠释。(图片来源:咖啡•盖蒂图片社）
科学家们仍在寻找爱因斯坦广义相对论的缺陷，以解释推动宇宙加速膨胀的神秘力量，但仍一无所获。
研究人员研究了1亿个星系，寻找引力强度在整个宇宙历史上或在广阔的宇宙距离上发生变化的迹象。这种变化的任何迹象都表明，爱因斯坦的广义相对论是不完整的，或者需要修改。变化还可以揭示暗能量是什么，除此之外，它是科学家们给任何导致宇宙加速膨胀的东西起的名字。
导致宇宙加速膨胀的原因。
尽管没有发现重力强度的变化，但这项工作将帮助两个即将到来的太空望远镜——欧洲航天局的欧几里得任务和美国宇航局的南希·格蕾丝·罗马太空望远镜——以空间和时间寻找重力强度的变化。
“随着测量越来越精确，仍然有挑战爱因斯坦引力理论的空间，”团队成员、美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的前博士后研究员阿格尼丝·菲德在一份声明中说。
要了解为什么暗能量和宇宙的加速膨胀让科学家们如此不安，想象一下推着秋千上的孩子，看着她慢下来，几乎完全停止。然后秋千突然加速，在没有任何推力的情况下继续快速移动。
科学家们的说法是，在大爆炸最初的推动之后，宇宙的膨胀应该会放缓。但事实并非如此。它正在加速，而“暗能量”这个术语是驱动这种加速的神秘力量的一个占位符。
因此，暗能量实际上是在与引力对抗——当引力把宇宙物体拉到一起时，暗能量就会把它们推开。由于暗能量约占宇宙能量和物质总质量的68%，这是研究人员渴望解决的一个谜。因此，暗能量调查小组使用智利的维克多·M·布兰科4米望远镜来观察50亿年前的情况。
通过空间和时间测试重力
光以恒速度传播，这意味着天文学家看到的遥远的宇宙物体是它们过去的样子。
例如，光从太阳到地球大约需要7分钟，所以我们从地球上看到的恒星是7分钟前的样子。在更远的地方，当天文学家观察一光年外的银河系物体时，他们看到的是一年前的样子。对于詹姆斯·韦伯望远镜正在研究的一些遥远的星系，光已经向我们传播了数百亿年，我们看到的星系是138亿年前的宇宙处于相对婴儿期时的样子。并不是对星系本身的观测暗示了引力强度的变化，而是它们的光在到达望远镜的漫长旅程中发生了什么。
一次对时空的探索
根据广义相对论，质量会使时空的结构弯曲，质量越大的物体会产生更极端的曲率。一个常见的类比是把不同重量的球放在一张拉伸的橡皮板上。保龄球在球垫上留下的凹痕比网球更深;恒星比行星更能扭曲时空。
像星系一类的物体如此强烈地扭曲时空，当光经过星系时，它的路径是弯曲的，光到达地球时，发射它的物体在天空中的视位置也会变化。天文学家称这种效应为引力透镜效应。
2022年7月11日，美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜公布了首张公开发布的科学质量图像，这是迄今为止宇宙最深的红外图像。(图片来源：美国国家航空航天局、欧洲航天局、加拿大标准协会;和太空望远镜研究所)
因为来自发光体的光通过多种路径穿过星系一类的大质量物体——被称为透镜物体——引力透镜使光源从视觉上扭曲、放大，甚至在天空中的多个方位，詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的第一张照片中，引力透镜中遥远的星系变得模糊不清。)
然而，引力透镜效应的影响更加微妙，这些微妙的影响通常由其中的暗物质引起。由于暗物质只与引力相互作用，而忽略了光和其他物质，因此它的形状和结构仅由引力引起。
爱因斯坦又对了
在最近的研究中，暗能量研究的科学家们在遥远星系的图像中寻找这些被称为“弱引力透镜”的微妙扭曲。研究人员推断，这将揭示透镜星系中暗物质分布的变化，这反过来又暗示了引力强度随时间和空间的变化—从而揭示神秘的暗能量。
对1亿个星系中暗物质形状的观察表明，一切仍然符合爱因斯坦的广义相对论。
这并不意味着探索已经结束。天文学家现在将着重于欧几里得和罗马太空望远镜，分别于2023年和2027年发射，在更古老的星系中寻找重力的变化，希望能发现可能为理解暗能量开辟道路的变化。
据美国宇航局称，虽然这项新研究观察的是50亿年前的星系，但欧几里得将回顾80亿年前的星系，而罗曼将回顾得更远，观察110亿年前的星系。
“在我们为欧几里得和罗马做好准备之前，我们还有很多事情要做，”菲德说。“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。”
该团队的研究结果于8月23日在里约热内卢举行的粒子物理与宇宙学国际会议(COSMO’22)上发表。一篇详细介绍该团队发现的论文已经发表在预印本库arXiv.org上。
BY:Robert Lea
FY:jane
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