新证据表明，广义相对论无需修正
返朴官方账号图：KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/T. Slovinský
撰文 | 不二北斗
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要来，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0.059 eV/c^²（这非常微小，相比之下，电子的质量约为511000 eV/c^²）。现在，DESI的最新结果表明，它们三者之和应该小于0.071eV/c^² ——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。
参考来源
[1] https://news.utdallas.edu/science-technology/desi-gravity-update-fall-2024/
[2] https://newscenter.lbl.gov/2024/11/19/new-desi-results-weigh-in-on-gravity/
本文经授权转载自微信公众号“原理”。
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