研究發現，引力在整個宇宙時代都保持不變

一個多世紀以來，天文學家已經知道宇宙自大爆炸以來一直在膨脹。在宇宙成形的最初 80 億年中，由於受到萬有引力的阻礙，宇宙的膨脹率相對穩定。

然而，多虧了像哈伯太空望遠鏡這類執行的任務，天文學家已經了解到大約從 50 億年前，膨脹的速度一直在加快。

這導致了一種被廣泛接受的理論，即膨脹背後是一種神秘的力量（稱為暗能量）影響，而有些人堅持認為引力可能會隨著時間而改變。

這是一個有爭議的假設，因為它意味著愛因斯坦的《廣義相對論》是錯誤的。

根據國際暗能量調查（DES）合作組織的一項新研究，引力的性質在整個宇宙歷史中一直保持不變。

這些發現是在兩台下一代太空望遠鏡（Nancy Grace Roman 和 Euclid）被送往太空進行更精確的引力測量及其在宇宙演化中的作用之前不久發布的。

DES 合作組織是由來自美國、英國、加拿大、智利、西班牙、巴西、德國、日本、意大利、澳大利亞、挪威和瑞士的大學和研究所的研究人員組成。

他們在 8 月 22 日至 26 日在里約熱內盧舉行的國際粒子物理和宇宙學會議 (COSMO’22) 上發表了他們第三年的研究結果。

他們還在美國物理學會期刊《物理評論 D》(Physical Review D) 上發表了一篇題為「暗能量調查第三年的結果：對具有弱透鏡和星系群的 Lambda CDM（又稱ΛCDM模型，是Λ-冷暗物質（Cold Dark Matter）模型的簡稱）擴展的約束」的論文。

愛因斯坦在 1915 年完成的《廣義相對論》描述了在引力存在下時空曲率是如何改變的。

一個多世紀以來，這個理論幾乎準確地預測了我們宇宙中的一切，從水星的軌道和引力透鏡到黑洞的存在。

但在 1960 年代和 1990 年代之間，發現了兩個差異，導致天文學家懷疑愛因斯坦的理論是否正確。首先，天文學家注意到大質量結構（如星系和星系團）的引力效應與他們觀察到的質量不一致。

這產生了一個理論，即空間充滿了一種看不見的質量，它通過引力與「正常的」（又可說是「發光的」或可見的）物質相互作用。同時，觀測到的宇宙膨脹（以及它如何受到加速）產生了暗能量理論和 Lambda 冷暗物質 (Lambda CDM) 宇宙學模型。

冷暗物質是一種解釋，這種質量是由大的、緩慢移動的粒子組成，而 Lambda 代表暗能量。理論上，這兩種力構成了宇宙總質能含量的 95%，但所有尋找它們直接證據的嘗試都失敗了。

唯一可能的選擇是需要修改相對論以解釋這些差異。為了查明情況是否如此，DES 的成員使用位於智利 Cerro Telolo Inter-American 天文台的 Victor M. Blanco 4 米望遠鏡觀察了距離 50 億光年外的星系。

他們希望確定引力是否在過去 50 億年（自加速開始）或宇宙距離上有所變化。他們還參考了其他望遠鏡的數據，包括歐洲太空總署的普朗克衛星，該衛星自 2009 年以來一直在繪製宇宙微波背景 (CMB) 地圖。

他們密切關注他們看到的圖像是如何包含由於暗物質（引力透鏡）造成的微妙扭曲。正如詹姆斯韋伯太空望遠鏡 (JWST) 發布的第一張圖像所示，科學家可以通過分析引力透鏡扭曲時空的程度來推斷引力強度。

到目前為止，DES 合作組織已經測量了超過 1 億個星系的形狀，並且觀測結果都與廣義相對論的預測相符。好消息是愛因斯坦的理論仍然成立，但這也意味著暗能量之謎暫時仍然存在。

幸運的是，天文學家無需等待很長時間即可獲得新的更詳細的數據。首先是歐洲太空總署的 Euclid 任務，最遲將於 2023 年發射。這項任務將繪製宇宙的幾何圖，追溯 80 億年的過去，以測量暗物質和暗能量的影響。

到 2027 年 5 月，美國太空總署的 Nancy Grace Roman 太空望遠鏡將加入它，該望遠鏡將回顧超過 110 億年。這些將是有史以來最詳細的宇宙學調查，預計將為 Lambda-CDM 模型提供最有說服力的證據（或反對）。

正如研究報告的共同作者、在 JPL 擔任博士後研究員的 Agnès Ferté 在最近的 NASA 新聞稿中所說：

隨著測量變得越來越精確，愛因斯坦的引力理論仍有挑戰的空間。但在我們為 Euclid 和 Roman 做好準備之前，我們還有很多工作要做。因此，我們必須繼續與世界各地的科學家合作解決問題，就像我們在暗能量調查中所做的那樣。

此外，韋伯太空望遠鏡對宇宙中最早的恆星和星系的觀測，將使天文學家能夠繪製出宇宙最早時期的演化圖。這些努力有可能解答宇宙中一些最緊迫的謎團。

其中包括相對論與觀測到的宇宙質量和膨脹是如何重合的，但也可以提供對引力和宇宙的其他基本力（如量子力學所描述的）如何相互作用的見解——萬物理論（ToE）。

如果說當前天文學時代有什麼特點的話，那就是透過長期調查和運用新一代儀器，共同檢驗那些迄今為止一直是理論內容的東西。

這些可能導致的潛在突破肯定會讓我們既高興又困惑。但最終，它們將徹底改變我們看待宇宙的方式。

本文最初由 Universe Today 發布。

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參考資料：

Williams, M., (30 August 2022). Gravity Has Stayed Constant For The Entire Age of The Universe, Study Finds. ScienceAlert
Williams, M., (27 August 2022). A New Study Confirms That Gravity has Remained Constant for the Entire age of the Universe. Universe Today
圖片來源：https://astrobiology.nasa.gov/missions/wfirst/ (NASA/image)