檢驗歐拉和愛因斯坦的理論

歐拉（Leonhard Euler）和愛因斯坦（Albert Einstein）都是我們非常熟悉的科學家，他們提出的理論徹底改變了我們對宇宙的理解。以歐拉的名字命名的著名方程，爲科學家提供了計算宇宙中星系運動的強大工具；而愛因斯坦提出的引力理論——廣義相對論則表明，宇宙並非是一個靜態的框架，它可以被星團或星系扭曲。

物理學家已經用各種方法檢驗了歐拉和愛因斯坦書寫的方程，並且到目前爲止都被證明它們是成功的。然而，自發現暗物質和宇宙加速膨脹以來，研究人員並不確定這些神秘的現象是否仍然遵循歐拉和愛因斯坦的方程。

一個充滿未知的宇宙

在20世紀30年代，天體物理學家茲威基（Fritz Zwicky）就已經注意到，星系團中的可見物質的總量與星系本身運動之間存在差異。他認爲，星系團之中或許存在大量看不見的物質與可見物質發生了引力作用。他把這些看不見的物質稱爲“暗物質”。現代天文學觀測表明，暗物質約佔宇宙中所有物質的85%。

研究人員認爲，暗物質很可能是由未知的粒子構成的。但由於我們從未探測到過暗物質粒子，因此質疑它是否具有像普通物質一樣的行爲，以及是否遵循歐拉方程的描述，是情有可原的。

1998年，兩組天體物理學家觀測到，我們的宇宙正在加速膨脹。這個發現完全出乎意料，因爲由於星系和星系團之間的引力作用，宇宙的膨脹應該會隨着時間逐漸減慢，但真實情況卻並非如此。

時至今日，我們仍不知道是什麼導致了這種奇怪的現象。它是否與某種未知的排斥力有關？又或者它與引力本身有關，換句話說，這是否意味着廣義相對論在遠距離上的行爲的預測需要被修正？

引力滑移

宇宙加速膨脹的發現和暗物質的未知本質，促使着理論學家提出了許多新的修改引力理論（modified gravity theories），天文學家也使用越來越先進的設備，爲驗證這些奇思妙想提供所需的數據。

“引力滑移”（gravitational slip）正是修改引力理論的一個關鍵特徵，它指的是物質和光感受到引力的方式的差異。

根據廣義相對論，在相同的扭曲時空中，光和物質的運行路徑應該以相同的方式彎曲。這與傳說中伽利略在比薩斜塔上進行的著名論證很像，即在地球引力作用下，不同的物體以相同的速度下落（忽略空氣阻力）。

通過使用當前的觀測數據，來比較星系落入引力阱的方式和來自這些星系的光如何被引力透鏡偏折，就可以推斷出它們是否經歷了相同的引力。如果發現它們是不同的，那麼就可以說存在引力滑移。測量這種引力滑移正是剛剛與7月升空的歐幾里得空間望遠鏡的主要目標之一。

如果歐幾里得空間望遠鏡發現了滑移呢？天文學家要如何才能確定它的發生是由引力的修改導致的，還是由歐拉方程的修改導致的？（如果有一種未知的暗力作用於暗物質，那麼歐拉方程就需要被修改。）

在一項發表於《自然·天文學》中，研究人員證明了，測量引力滑移並不能幫助我們有效區分引力的修改和歐拉方程的修改。但是，如果能夠測量到“引力紅移”效應，那麼是有可能做出這種區分的。

引力紅移追蹤的是由宇宙中存在的大質量天體（如星系和星系團）所造成的時間畸變：當星系發出的光穿過這些時間畸變時，它的顏色會轉移到更長的波長。通過將這種時間畸變與引力透鏡（對時間畸變和空間畸變的總和很敏感）進行比較，就可以直接測出真正的引力滑移。

未來的工作

這項研究結果將爲幾個旨在確定宇宙加速膨脹的起源和暗物質的本質的天文學任務作出重要貢獻。其中包括於2023年7月發射的歐幾里得空間望遠鏡，以及於2021年在亞利桑那州開始其5年任務的暗能量光譜儀器（DESI），還有將於2028或2029年開始觀測位於南非和澳大利亞的平方千米陣（SKA）。

這些任務或許能夠探測到引力紅移的微弱效應，從而將歐拉方程的修改與引力的修改區分開來。

#創作團隊：

撰文：不二北斗

排版：雯雯

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/s41550-023-02003-y

#圖片來源：

封面圖&首圖：NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis), and A. Mahdavi (San Francisco State University)