宇宙大尺度结构的增长受到抑制？广义相对论、暗能量假说都无法解释这一现象
SF中文2023-09-24 12:16
本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF
广义相对论构成了现代宇宙学的基础，而暗能量虽然是我们不能直接观测的现象，但科学家已经提出了许多相关理论，用以解释宇宙学的各种现象。但是，新研究显示，广义相对论、暗能量等理论并不能解释科学家观察到的大尺度结构的相关变化。
文 | 闻静
从广义相对论到暗能量
1916 年，爱因斯坦正式提出广义相对论，首次把引力场等效成时空的弯曲。1929 年，哈勃提出“宇宙正在膨胀着。星系之间的空间随时间线性增加，星系本身并没有改变；而且星系越远，离去得越快”。此后，物理学家们以广义相对论为理论基础，以哈勃定律为观测依据，发展出大爆炸理论（也被称为现代宇宙学标准模型），并建立了现代宇宙学。
对我们而言，理解宇宙是物质组成的非常轻松。但如果宇宙全是物质，那么物质受引力影响向内坍塌，在短时间内就会出现大坍缩。为了对抗这样的坍塌，宇宙中必须要有另一种形式的能量。因此，为了更好地解释我们观测到的宇宙演化过程，物理学家提出了宇宙中存在三种能量形式：物质、辐射和暗能量。
当宇宙被辐射主导时，星系之间相互远离的速度会降低；当宇宙被物质主宰时，星系之间相互远离的速度会降低，但本身的移动速度会更慢；当宇宙被暗能量主导时，星系之间相互远离的速度会增加。而我们现在就处在宇宙被暗能量主导的时期，那些遥远的星系在加速远离我们。
大尺度结构增长受到抑制
天文学家研究宇宙演化的一个方法，就是观测宇宙在大范围内（典型的尺度是十亿光年）质量和光的分布特征，这种分布特征就叫做宇宙大尺度结构。宇宙大尺度结构就像无数个气泡密密麻麻地重叠在一起，星系团等构成气泡的膜（致密区域），当中为空虚的空间。科学家推断，在宇宙演化的过程中，大尺度结构也在以一定的速度持续增长，即致密区域将变得更加致密，而空间将变得更加空虚。
暗能量加速了宇宙在全球范围内的膨胀，但却对大尺度结构产生了相反的影响。如果说引力像一个放大器，可以促进大尺度结构的增长，那么暗能量就像一个衰减器，会抑制物质之间的扰动，减缓大尺度结构的增长。
近日，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一篇文章显示，在有暗物质和暗能量的标准模型中，科学家观察到的宇宙大尺度结构的成长速度依旧比爱因斯坦的广义相对论预测的要慢。也就是说，虽然理论认为暗物质和暗能量会抑制大尺度结构的增长，但还是无法完全解释大尺度结构增长受到的抑制。
认识引力和暗能量本质的机会
研究人员使用多种宇宙学探测方法，包括宇宙微波背景、星系弱引力透镜探测和星系运动，以推断宇宙中物质分布。探测结果表明，宇宙中大型结构生长确实受到抑制，并且时间越接近现在，增长率差异越大。
这个研究的结果挑战了我们已有的对宇宙演化的理解。“造成这种效应的原因可能是由于暗能量和暗物质具有一些我们不知道的特性，或者是包括广义相对论在内的各种模型还存在需要改进的地方，”文章的作者之一、美国密歇根大学物理学教授德拉甘・胡特尔（Dragan Huterer）表示，“宇宙可能在试图告诉我们一些事情。我们需要更多的统计数据，以确定为什么我们的标准模型考虑了暗物质、暗能量的影响，还是观察到比预期慢的大尺度结构成长。”
“研究宇宙结构如何聚集和增长，许多可以帮助我们理解引力和暗能量的本质。”文章的通信作者、密歇根大学物理系博士后研究员 Nhat-Minh Nguyen 说。
参考文献：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.111001
The universe caught suppressing cosmic structure growth | University of Michigan News (umich.edu)
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