美国国家航空航天局科学家通过测试引力帮助探测暗能量

这张由美国国家航空航天局的詹姆斯•韦伯太空望远镜首次发布的图像显示了星系团SMACS 0723。由于一种称为引力透镜的现象，一些星系看起来被涂抹或拉伸。这种效应可以帮助科学家绘制宇宙中暗物质的存在图。

天体物理学中最大的难题之一能否通过重新设计阿尔伯特•爱因斯坦的引力理论来解决？美国国家航空航天局科学家联合撰写的一项新研究称，目前还没有。

宇宙正在加速膨胀，科学家们不知道为什么。这一现象似乎与研究人员对引力对宇宙影响的理解相矛盾：这就像你把一个苹果扔到空中，它继续向上，越来越快。这种被称为暗能量的加速的原因仍然是个谜。

国际暗能量调查局使用智利的维克多•M•布兰科4米望远镜进行的一项新研究，标志着确定这一切是否只是一个误解的最新努力：对引力在整个宇宙尺度上如何工作的预期是有缺陷或不完整的。这种潜在的误解可能有助于科学家解释暗能量。但这项研究——迄今为止在宇宙尺度上对阿尔伯特•爱因斯坦引力理论最精确的测试之一——发现目前的理解似乎仍然是正确的。

8月23日星期三，在里约热内卢举行的国际粒子物理与宇宙学会议（COSMO’22）上，一组科学家（其中包括美国国家航空航天局喷气推进实验室的一些科学家）发表了这一结果。这项工作有助于为即将推出的两台太空望远镜奠定基础，这两台望远镜将以比新研究更高的精度探测我们对引力的理解，并可能最终解开谜团。

一个多世纪前，阿尔伯特•爱因斯坦发展了广义相对论来描述引力，到目前为止，它已经准确地预测了从水星轨道到黑洞存在的一切。但一些科学家认为，如果这一理论不能解释暗能量，那么他们可能需要修改其中的一些方程或添加新的成分。

为了查明情况是否如此，暗能量调查的成员寻找证据，证明引力的强度在整个宇宙历史上或宇宙距离上都有所不同。一个积极的发现将表明爱因斯坦的理论是不完整的，这可能有助于解释宇宙加速膨胀的原因。他们还检查了除布兰科望远镜外的其他望远镜的数据，包括欧洲航天局的普朗克卫星，并得出了同样的结论。

研究发现爱因斯坦的理论仍然有效。所以目前还没有关于暗能量的解释。但这项研究将为即将到来的两项任务提供支持：欧空局的欧几里得任务，计划不早于2023年发射，由美国国家航空航天局贡献；以及美国国家航空航天局的Nancy Grace Roman太空望远镜，计划在2027年5月之前发射。两台望远镜都将寻找重力强度随时间或距离的变化。

视力模糊

科学家们如何知道宇宙的过去发生了什么？通过观察远处的物体。光年是衡量光在一年中可以传播的距离（约6万亿英里，约9.5万亿公里）。这意味着一光年外的物体在我们看来就像一年前，当光线第一次离开物体时一样。数十亿光年外的星系在我们看来就像数十亿年前一样。这项新研究观察了过去大约50亿年前的星系。欧几里得将回顾过去80亿年，罗马将回顾110亿年。

星系本身并没有揭示引力的强度，但从地球上看，它们的外观确实如此。我们宇宙中的大多数物质都是暗物质，它不会发光、反射或以其他方式与光相互作用。虽然科学家们不知道它是由什么组成的，但他们知道它就在那里，因为它的引力泄露了它：我们宇宙中的大量暗物质库扭曲了空间本身。当光在太空中传播时，它会遇到扭曲空间的这些部分，导致遥远星系的图像看起来弯曲或模糊。这是美国国家航空航天局詹姆斯•韦伯太空望远镜发布的首批图像之一。

这段视频解释了一种名为引力透镜的现象，这种现象会导致星系的图像出现扭曲或模糊。这种扭曲是由引力引起的，科学家可以利用这种效应来探测不发光或不反射光的暗物质。

暗能量调查的科学家们在星系图像中搜索由于暗物质弯曲空间而产生的更微妙的扭曲，这种效应被称为弱引力透镜。引力的强度决定了暗物质结构的大小和分布，而大小和分布又决定了这些星系在我们看来是如何扭曲的。这就是图像如何揭示宇宙历史上距离地球不同距离和遥远时间的引力强度。该小组目前已经测量了超过1亿个星系的形状，到目前为止，观测结果与爱因斯坦理论预测的一致。

“随着测量越来越精确，爱因斯坦的引力理论仍有挑战的空间，”研究合著者Agnès Ferté说，他是JPL的博士后研究员。“但在我们为欧几里得和罗马做好准备之前，我们还有很多事情要做。因此，我们必须继续与世界各地的科学家在这个问题上合作，就像我们在暗能量调查中所做的那样。”