新证据表明,广义相对论无需修正

虎嗅APP 2024-11-20 21:56:33

为什么宇宙在加速膨胀?这是宇宙学中最重大的谜团之一。为了解释这一现象,宇宙学家们提出了一些相互竞争的理论都在试图解释这一现象。

例如,一种理论认为,是未知的暗能量以某种方式驱动了宇宙的加速膨胀,将星系越拉越开。还有一种理论认为,引力在更大的宇宙尺度上有着不同的作用方式,因此需要对爱因斯坦的广义相对论在更大的尺度上进行修正。

由70多个机构的900多名科学家组成的暗能量光谱仪(DESI)合作组,试图为这个令人困惑的问题提供解答。现在,他们发布了一份新的数据分析报告:通过分析近600万个星系在110亿年的宇宙史中是如何聚集的,他们在迄今为止的最大尺度上对广义相对论进行了检验,结果表明观测到的引力的行为,与广义相对论的预测结果一致。

11月19日,他们在学术论文预印网站arXiv上提交了一系列论文,分享了他们最新的研究结果。

最大尺度的检验

引力塑造了我们现在的宇宙。这种将物质吸引在一起的力,将存在于早期宇宙中物质数量的微小差异,演变成我们今天看到的杂乱无章的星系链。

根据广义相对论,引力是时空弯曲的结果。它告诉我们,像太阳这样的大质量天体会使时空结构弯曲,从而导致地球绕其旋转。自一个多世纪前被提出后,物理学家一直在试图找到广义相对论失效的情况。这一理论在太阳系的尺度上已经得到了很好的检验,因此,物理学家一直试图在更大的尺度上检验它的有效性。

DESI可以同时捕获来自5000个星系的光,使研究人员能够追踪宇宙结构在过去110亿年中是如何增长的,帮助科学家了解引力在非常大的尺度上是如何运作的。仅在第一年,DESI就在数量和质量上超过了以往所有同类测量,对宇宙结构的增长进行了最精确的全面测量,超越了之前花费数十年时间所做的努力。

位于亚利桑那州基特峰国家天文台的DESI。凭借着DESI配备的5000个微型机器人“眼睛”,研究人员能够看到110亿年前的宇宙。图为2023年双子座流星雨期间。(图/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R.Sparks)

今年4月,DESI合作组就根据DESI的第一年数据,以前所未有的精度绘制了星系和类星体,创造了迄今为止最大的宇宙3D图。当时,研究人员重点关注了星系团的一个特殊特征——重子声学振荡(BAO)。他们发现,有迹象表明,暗能量可能随着时间的推移而变化。

在新发布的这一系列研究中,研究人员进一步对DESI的第一年数据进行了分析。他们分析了由DESI绘制的近600万个星系和类星体,对星系形成的速率,宇宙中的物质如何在引力的影响下运动,以及星系团等大规模结构如何因引力而演变进行了研究。

通过将DESI的结果与其他实验的数据集相结合,研究人员得出结论——星系聚集的方式与广义相对论的预测一致。此外,最新的分析也与4月的发现一致,即暗能量不是恒定的,而是动态的,这是关于宇宙加速的一个非常重要的结果。

值得一提的是,最新的研究还为中微子的质量提供了新的上限。中微子是唯一一种质量尚未被精确测量的基本粒子。过往的中微子实验表明,三种中微子的质量总和应该至少为0.059eV/c²(这非常微小,相比之下,电子的质量约为511000eV/c²)。现在,DESI的最新结果表明,它们三者之和应该小于0.071eV/c²——这样的结果为中微子质量所拥有的值留下了一个非常狭窄的范围。

静候佳音

虽然这些新的结果并没有完全排除其他修正引力理论,但它们再一次为我们的主要宇宙模型提供了检验,并为可能的修正引力理论提供了新的限制。这些新的分析拓宽了从数据中提取更多信息的范围,测量了星系和物质在太空中的不同尺度上的分布。与之前的研究一样,它运用了一种能直到最后才向科学家揭示结果的技术,以此来减轻任何无意识的偏倚。

DESI实验已经进行了5年,现在已经是第4年。研究人员计划在项目结束时,将收集大约4000万个星系和类星体的数据。目前,合作组正在分析前三年收集的数据,并期望在3月份的《美国物理学会会议》上展示关于暗能量和宇宙膨胀史的最新测量结果。

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