在宇宙的边缘-科学家把爱因斯坦和欧拉的测试

日内瓦大学(UNIGE)的研究人员设计了一种新方法，通过考虑时间扭曲的测量来检验欧拉和爱因斯坦的理论，试图解释暗物质和宇宙加速膨胀的神秘现象。这种方法是同类方法中的第一个，可以帮助我们了解宇宙中是否存在违反这两种理论的新力量或新物质。

宇宙是物理定律的独特试验场，特别是欧拉和爱因斯坦提出的定律。欧拉定律揭示了天体的运动，而爱因斯坦的理论描述了这些天体是如何扭曲宇宙的。

自从暗物质被发现，宇宙膨胀被发现在加速，他们的方程的有效性就受到了考验:他们能解释这些神秘的现象吗?日内瓦大学(UNIGE)的一个研究小组开发了第一种方法来找到答案。它考虑了一种从未使用过的测量方法:时间扭曲。这些发现最近发表在《自然天文学》杂志上。

莱昂哈德·欧拉(1707-1783)和阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)的理论彻底改变了我们对宇宙的理解。凭借着以他的名字命名的著名方程，欧拉为科学家们提供了一个计算宇宙中星系运动的强大工具。爱因斯坦用他的广义相对论证明了宇宙不是一个静态的框架:它可以被星团和星系扭曲。

物理学家已经用各种方法测试了这些方程，到目前为止都证明是成功的。然而，两项发现继续对这些模型进行测试:宇宙膨胀的加速和不可见暗物质的存在，暗物质被认为占宇宙中所有物质的85%。这些神秘的现象仍然遵循爱因斯坦和欧拉的方程吗?研究人员仍然无法回答这个问题。

缺失的成分

“问题是，目前的宇宙学数据不允许我们区分一个打破爱因斯坦方程的理论和一个打破欧拉方程的理论。这就是我们在研究中所证明的。我们还提出了求解这一问题的数学方法。这是十年研究的高潮，”UNIGE理学院理论物理系副教授、该研究的第一作者卡米尔·邦文解释说。

研究人员无法区分这两个方程在宇宙边缘的有效性，因为他们缺少一个“成分”:时间扭曲的测量。“在那之前，我们只知道如何测量天体的速度和时空扭曲的总和。我们已经开发了一种方法来获取这种额外的测量，这是第一次，”卡米尔·邦文说。

如果时间扭曲不等于时间和空间的总和——即广义相对论产生的结果——这意味着爱因斯坦的模型不起作用。如果时间扭曲与用欧拉方程计算的星系速度不一致，这意味着后者是无效的。加拿大西蒙弗雷泽大学物理系教授、该研究的合著者Levon Pogosian解释说:“这将使我们能够发现宇宙中是否存在违反这两种理论的新力量或物质。”

现实的检验

这些结果将对几个旨在确定宇宙加速膨胀的起源和暗物质本质的任务做出重要贡献。其中包括将于2023年7月由欧洲航天局(ESA)与UNIGE合作发射的EUCLID空间望远镜，以及于2021年在亚利桑那州开始其5年任务的暗能量光谱仪器(DESI)。在南非和澳大利亚也有国际上的SKA(平方公里阵列)巨型射电望远镜项目，将于2028/29年开始观测。

“我们的方法将整合到这些不同的任务中。这已经是DESI的情况，由于这项研究，我们已经成为外部合作者，”Camille Bonvin热情地说。研究小组已经成功地在合成的星系目录上测试了它的模型。下一阶段将使用DESI提供的第一批数据对其进行测试，并查明可能妨碍其应用的障碍和尽量减少系统特征。

参考文献:Camille Bonvin和Levon Pogosian的“暗物质的修正爱因斯坦与修正欧拉”，2023年6月22日，《自然天文学》。DOI: 10.1038 / s41550 - 023 - 02003 - y