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宇宙尺度上的引力測試結(jié)果出爐,平方反比定律屹立不倒,暗物質(zhì)地位進(jìn)一步鞏固。一個跨越數(shù)億光年的實驗,給出了一個幾乎令所有人都意料之中、卻又意義深遠(yuǎn)的答案:牛頓的引力定律,依然成立。
這項由賓夕法尼亞大學(xué)宇宙學(xué)家帕特里西奧·加拉多(Patricio Gallardo)領(lǐng)銜、發(fā)表于《物理評論快報》的研究,動用了迄今最大尺度的宇宙引力測量手段,對數(shù)十萬個星系團(tuán)之間的引力行為進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果顯示,在8000萬至8億光年的距離范圍內(nèi),引力仍然嚴(yán)格遵循距離平方反比關(guān)系,指數(shù)測定值為2.1,誤差正負(fù)0.3。
這是牛頓1687年寫下那個公式以來,它所經(jīng)歷的最嚴(yán)苛、也是尺度最大的一次考驗。
物理學(xué)家們很早就發(fā)現(xiàn)了一件讓人頭疼的事:宇宙的運行軌跡和賬面對不上。
在星系中,距離核心較遠(yuǎn)的恒星理應(yīng)運動得更慢,就像太陽系中遠(yuǎn)離太陽的行星那樣。然而觀測顯示,這些外圍恒星的速度比預(yù)期快得多,星系團(tuán)中的整個星系也存在同樣的問題——它們運動的速度,根本無法用肉眼可見的物質(zhì)質(zhì)量來解釋。
"當(dāng)我們看星系內(nèi)的恒星或星系團(tuán)中的星系如何運動時,它們的速度遠(yuǎn)超可見物質(zhì)所能提供的引力,"加拉多說。"這本宇宙賬,一直差得很遠(yuǎn)。"
面對這道缺口,科學(xué)界分成了兩個陣營:一派認(rèn)為宇宙中存在大量看不見的"暗物質(zhì)",其引力填補(bǔ)了這個空白;另一派則主張,是引力定律本身出了問題,需要修正,其中最具代表性的理論是20世紀(jì)80年代提出的"修正牛頓動力學(xué)"(MOND)。MOND并不引入暗物質(zhì),而是在極低加速度下調(diào)整牛頓第二定律的形式。如果MOND是正確的,引力在大尺度上的衰減方式將與平方反比定律出現(xiàn)偏差。
這一次,研究團(tuán)隊用數(shù)據(jù)給出了判決。
大爆炸發(fā)生約38萬年后,宇宙釋放出一批光子,至今仍以微波的形式彌漫在宇宙各處,這就是"宇宙微波背景輻射"(CMB)。當(dāng)這些古老的光子穿越星系團(tuán)時,會與其中的高能電子發(fā)生碰撞,并根據(jù)星系團(tuán)的運動方向相應(yīng)地獲得或損失能量。這一細(xì)微變化,可以被用來直接測量星系團(tuán)的運動速度,精度極高。
智利阿塔卡馬沙漠中、海拔5000米高原上的阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡(ACT)從2007年運行至2022年,積累了海量CMB觀測數(shù)據(jù),正是這項研究的核心數(shù)據(jù)來源。研究團(tuán)隊同時結(jié)合了斯隆數(shù)字巡天(SDSS)對數(shù)百萬個星系空間分布的長期測繪成果,將兩類數(shù)據(jù)疊加,構(gòu)建出一幅引力隨距離變化的精確圖譜。
研究聚焦于距地球56億至77億光年的星系團(tuán),刻意規(guī)避了宇宙膨脹和暗能量在更大時間跨度上造成的干擾,使引力信號盡可能純粹、可靠。最終,團(tuán)隊探測到了低至10飛米每平方秒的加速度,相當(dāng)于地球表面重力加速度的萬億分之一,這一靈敏度令人嘆為觀止。
測量結(jié)果與牛頓、愛因斯坦的理論框架高度吻合,與MOND的預(yù)測則明顯不符。
耶魯大學(xué)天體物理學(xué)家普里亞姆瓦達(dá)·納塔拉詹(Priyamvada Natarajan)指出,這項結(jié)果"本不令人意外,但它切實削弱了MOND理論的立足空間"。加拉多也坦言,MOND本就難以完整描述宇宙結(jié)構(gòu)的演化,這項新數(shù)據(jù)更讓它雪上加霜。
既然引力在宇宙尺度上表現(xiàn)正常,那么星系和星系團(tuán)中那部分"多余"的引力效應(yīng),便只能歸結(jié)于某種看不見的物質(zhì)。
"這項研究加強(qiáng)了宇宙中確實存在暗物質(zhì)成分的證據(jù),"加拉多說,"但我們依然不知道它究竟是什么。"
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