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宇宙尺度上的引力测试结果出炉,平方反比定律屹立不倒,暗物质地位进一步巩固。一个跨越数亿光年的实验,给出了一个几乎令所有人都意料之中、却又意义深远的答案:牛顿的引力定律,依然成立。
这项由宾夕法尼亚大学宇宙学家帕特里西奥·加拉多(Patricio Gallardo)领衔、发表于《物理评论快报》的研究,动用了迄今最大尺度的宇宙引力测量手段,对数十万个星系团之间的引力行为进行了系统分析。结果显示,在8000万至8亿光年的距离范围内,引力仍然严格遵循距离平方反比关系,指数测定值为2.1,误差正负0.3。
这是牛顿1687年写下那个公式以来,它所经历的最严苛、也是尺度最大的一次考验。
物理学家们很早就发现了一件让人头疼的事:宇宙的运行轨迹和账面对不上。
在星系中,距离核心较远的恒星理应运动得更慢,就像太阳系中远离太阳的行星那样。然而观测显示,这些外围恒星的速度比预期快得多,星系团中的整个星系也存在同样的问题——它们运动的速度,根本无法用肉眼可见的物质质量来解释。
"当我们看星系内的恒星或星系团中的星系如何运动时,它们的速度远超可见物质所能提供的引力,"加拉多说。"这本宇宙账,一直差得很远。"
面对这道缺口,科学界分成了两个阵营:一派认为宇宙中存在大量看不见的"暗物质",其引力填补了这个空白;另一派则主张,是引力定律本身出了问题,需要修正,其中最具代表性的理论是20世纪80年代提出的"修正牛顿动力学"(MOND)。MOND并不引入暗物质,而是在极低加速度下调整牛顿第二定律的形式。如果MOND是正确的,引力在大尺度上的衰减方式将与平方反比定律出现偏差。
这一次,研究团队用数据给出了判决。
大爆炸发生约38万年后,宇宙释放出一批光子,至今仍以微波的形式弥漫在宇宙各处,这就是"宇宙微波背景辐射"(CMB)。当这些古老的光子穿越星系团时,会与其中的高能电子发生碰撞,并根据星系团的运动方向相应地获得或损失能量。这一细微变化,可以被用来直接测量星系团的运动速度,精度极高。
智利阿塔卡马沙漠中、海拔5000米高原上的阿塔卡马宇宙学望远镜(ACT)从2007年运行至2022年,积累了海量CMB观测数据,正是这项研究的核心数据来源。研究团队同时结合了斯隆数字巡天(SDSS)对数百万个星系空间分布的长期测绘成果,将两类数据叠加,构建出一幅引力随距离变化的精确图谱。
研究聚焦于距地球56亿至77亿光年的星系团,刻意规避了宇宙膨胀和暗能量在更大时间跨度上造成的干扰,使引力信号尽可能纯粹、可靠。最终,团队探测到了低至10飞米每平方秒的加速度,相当于地球表面重力加速度的万亿分之一,这一灵敏度令人叹为观止。
测量结果与牛顿、爱因斯坦的理论框架高度吻合,与MOND的预测则明显不符。
耶鲁大学天体物理学家普里亚姆瓦达·纳塔拉詹(Priyamvada Natarajan)指出,这项结果"本不令人意外,但它切实削弱了MOND理论的立足空间"。加拉多也坦言,MOND本就难以完整描述宇宙结构的演化,这项新数据更让它雪上加霜。
既然引力在宇宙尺度上表现正常,那么星系和星系团中那部分"多余"的引力效应,便只能归结于某种看不见的物质。
"这项研究加强了宇宙中确实存在暗物质成分的证据,"加拉多说,"但我们依然不知道它究竟是什么。"
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