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暗物质和暗能量替代理论又错了?

2017-10-29  道乃智能

(之前探测到的中子星合并——给暗物质和暗能量替代理论带来致命打击)如果你问天体物理学家今天宇宙中最大的谜团是什么,将得到的两个最常见的答案是暗物质和暗能量。我们所知道的地球上所有的东西,原子,都是由其他基本粒子组成的,只占宇宙能量预算的5%左右。宇宙中95%的能量都存在于暗物质和暗能量这两种形式中,它们从未被直接探测到,或者我们目前的宇宙图景出了问题。

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在合并的最后时刻,两颗中子星不只是产生引力波,而是在电磁波谱上发生的灾难性爆炸。光和引力波的到达时间的差异使我们能够了解很多关于宇宙的知识,图片版权:University of Warwick / Mark Garlick

这些已经被详细地研究过,有许多选择会导致轻微的物理后果。随着第一次观测到合并中子星,以及来自电磁波谱到达的引力波和光线的信号,大量的这些选项已经被排除在外。测试时暗物质和暗能量都符合能存在。

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这是一种超暗融合动力的星系群Abell 370,引力质量(主要是暗物质)以蓝色推断。图片版权:NASA, ESA, D. Harvey (Swiss Federal Institute of Technology), R. Massey (Durham University, UK), the Hubble SM4 ERO Team and ST-ECF

在天体物理学和宇宙学中有一些主要的谜题,暗物质和暗能量是用来解决的。对于暗物质,它们主要与星系的形成、旋转和聚集有关;对于暗能量来说,它们是关于宇宙膨胀率及其随时间变化的。如果你对引力理论做了适当的修改,就可以在不引入暗物质和/或暗能量的情况下改变一些可见的物体。那些研究这些替代品的人希望能找到正确的修改——这也使得新的预测与暗物质/暗能量不同——可以被测试。

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宇宙网是由暗物质驱动的,其规模最大的结构是由膨胀率和暗能量所决定的。沿丝的小结构是由正常的、电磁相互作用的物质的坍塌形成的。图片版权:Ralf Kaehler, Oliver Hahn and Tom Abel (KIPAC)

但是改变引力,无论是对暗物质还是暗能量的解释,都是一个必须非常小心地玩的游戏。爱因斯坦的广义相对论已经得到了相当严格的检验,它的预言每次都被证实。如果改变了引力,也就改变了这个理论,所以必须以一种不会影响已经发生的观测和测量的方式来做。因此有许多选择,冒险进入一个没有经过很好测试的制度:允许重力变化的速度。在爱因斯坦的理论中,重力的速度等于光速。但在许多替代方案中,这种假设得到了调整。

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通过插图的大尺度投影是z = 0,以最大的集群为中心,15 Mpc/h deep。显示暗物质密度(左)过渡到气体密度(右)。宇宙的大尺度结构不能用暗物质来解释,尽管许多修正的引力尝试存在。图片版权:Illustris Collaboration / Illustris Simulation

暗能量通常被认为是一种宇宙常数,即光速和重力的速度都是常数(和相等的)。替代公式反而添加了一些稍微复杂一些的东西一个标量字段或一组附加字段。这是一个通用的特性模型的修改,如协变Galileon,巨大的引力,Einstein-Aether理论,特维斯,Hořava引力。很多情况下取决于标量场如何与广义相对论的标准“引力”(张量)场相互作用,因此引力的速度与光速或随时间变化的速度不同。但是来自于合并中子星的伽马射线和引力波在1.7秒内到达,这意味着重力的速度必须等于光速,超过了10^15分之一。

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所有的无质量粒子以光速传播,包括光子、胶子和引力波,它们分别携带电磁、强核和引力相互作用。来自GW170817的引力波和电磁波的到达时间几乎相同,这一点非常重要。图片版权:NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

因此在标准的暗能量的基础上,有大量的替代方法被排除在外。事实上,1.7年代的光信号的到达时间的差异和重力波信号在距离地球1.3亿光年的微乎其微的意味着引力的速度不能改变随着时间的推移,也不能系统地高于或低于光速。如果你在引力的张量理论中加入一个标量场,会得到两个通用效应:

一般来说有一个张量速度的超量项,它可以修改(增加)引力波的传播速度。随着宇宙膨胀,有效的普朗克质量的变化会改变引力波信号的阻尼。光的速度和引力的速度都是如此的精确,这意味着所有具有这种类型的修正的理论都是高度受限的,而且大多数这样的模型在很大程度上被排除了。

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由于引力波和电磁波的到达时间,许多试图消除暗能量的引力变化被排除了。图片版权:Jose María Ezquiaga and Miguel Zumalacárregui, 'Dark Energy after GW170817'

对于暗物质试图改变引力力的尝试变得更糟。最常见的改变是改变大质量物体之间力的定律,它改变了包含质量的时空区域的引力势。当物体以光速传播时,如光子或引力波,经过那个空间时,这些信号会根据广义相对论的规则被延迟:夏皮罗时间延迟。从1.3亿光年之外,如果标准暗物质模型是正确的,那么插入物质的数量应该会延迟这一信号大约3年。但如果用这样一种方法来改变引力就能摆脱暗物质,也就会极大地改变引力波在太空中的传播特性。

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当光、引力波或任何无质量粒子穿过含有大量物质的空间区域时,空间会被扭曲,光路径弯曲,导致到达时间的延迟。在大多数改进的引力理论中,光和引力波的延迟是不同的。图片版权:ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.

像贝肯斯坦(Bekenstein)的TeVeS和莫法特(Moffat)的MoG / scalar - tensor-vector ideas这样的非暗物质修正引力理论具有引力波在不同的测地线上传播的特性,即不同的时空路径——由光子和中微子所遵循。简而言之,引力波应该沿着由正常物质所定义的路径传播,而光子和中微子应该沿着有效质量定义的路径传播:正常物质加上模拟暗物质的影响。这将使光子和引力波的到达时间相差大约800天,而不是观测到的1.7秒。

随着引力波和电磁信号的相互关联,这些无暗物质的场景被打破了。

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在ngc4993之间的中子星与中子星的合并发生,以及它们在光/引力波传播时所引起的量化延迟。图片版权:Sibel Boran, Shantanu Desai, Emre Kahya, and Richard Woodard, 'GW170817 Falsifies Dark Matter Emulators'

当引力波和光子(电磁波)通过空间时,它们受到空间曲率和空间扩张的影响。也就是说只要广义相对论的引力理论。如果修改了引力理论——试着排除暗物质和/或暗能量的需要,那么引力波只会受到物质/质量部分的影响,而修改效应会影响光子和其他粒子。因为来自合并中子星的引力波和光信号同时到达,它们以同样的速度穿过空间,并被相同的数量延迟:在一个千万亿分之一的范围内。这一精确程度足以排除在没有暗物质的情况下,对引力的修正理论的领先竞争者。

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x射线(粉色)和各种碰撞星系团的整体物质(蓝色)图显示了正常物质和引力效应之间的明显分离,这是暗物质最有力的证据。现在另类理论需要如此精心设计,以至于许多人认为它们相当荒谬。图片版权:X-ray: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland/D.Harvey NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Optical/Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) and R. Massey (Durham University, UK)

还有一些设计的模型可能会对引力的改变抱有希望,比如非本地引力理论(引力效应和质量的位置不匹配),或者引力波和电磁波遵循两种不同规则的理论。但即使是这些想法也受到了我们新的引力波观测的严重制约,它们被要求在暗物质和暗能量的影响下变得更加紧密和紧密并不再适合的正确,修正后的引力还没有消失,但其许多最大希望的都破灭了。然而爱因斯坦以其原始的、未修改的形式仍然适用存在。

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