广义相对论遭挑战?若暗能量只是幻觉,科学家解析宇宙将何去何从
使用爱因斯坦的理论来解释宇宙学现象,例如宇宙的加速膨胀,需要大量神秘的暗能量。但是, 如果暗能量只是一种幻觉,而广义相对论本身必须被修改,那么宇宙将何去何从 ?
发表在《 物理评论快报》上的一项最新研究 ,提供了一种新的方法来回答这个问题。由于巨大的计算和数学努力,科学家们在广义相对论之外首次模拟了双中子星的合并,在宇宙尺度上重现了类似暗能量的行为。这使得我们可以将爱因斯坦的理论和修正后的版本进行比较。同时,有了足够精确的数据,就可以解开暗能量之谜。
大约100年来,广义相对论在描述各种各样的引力方面都非常成功,通过了地球和太阳系的所有实验测试。 然而,为了解释宇宙学观测,例 如观测到的宇宙加速膨胀,我们需要引入暗成分,比如暗物质和暗能量,尽管目前这仍然是一个谜。
意大利国际高等研究院(SISSA)的天体物理学家和微观尺度引力的首席研究员Enrico Barausse质疑暗能量是否真实,他认为:" 暗能量的存在可能只是一种幻觉, 宇宙的加速膨胀可能是由广义相对论的一些未知修正引起的,这是一种‘暗引力’ 。"
中子星的合并为验证这一假设提供了一种独特的条件,因为它们周围的引力被推到了极致。 这位科学家认为:"中子星是已知的密度最大的恒星,通常半径只有10公里,但质量是太阳质量的一到两倍,使得引力和它们周围的时空变得极端,当它们碰撞时,会产生大量的引力波。我们可以利用在这些事件中获得的数据来研究引力的工作原理,并在一个新的窗口中检验爱因斯坦的理论。 "
在这项发表在《物理评论快报》上的研究中,SISSA的科学家们与马略卡岛帕尔马巴利阿里 大学的物理学家们合作,根据与宇宙学相关的修正引力理论,首次模拟了双中子星的合并: 该论文的第一作者Miguel Bezares介绍:"这种类型的模拟非常具有挑战性,因为这个问题具有高度非线性性质, 它需要大量的计算工作——在超级计算机上运行几个月——这也得益于SISSA和CINECA联盟之间的协议,以及我们开发的新的数学公式。 在我们第一次模拟之前,这些都是多年来的主要障碍。"
多亏了这些模拟,研究人员终于能够比较广义相对论和修正重力。 Barausse认为:"令人惊讶的是,我们发现‘暗引力’假说在解释过去双中子星碰撞期间由LIGO和Virgo干涉仪获得的数据方面与广义相对论一样好。 事实上,这两种理论在这两个系统中的差异非常细微 ,但它们可能会被下一代引力干涉仪探测到, 这开启了利用引力波来区分暗能量和‘暗引力’的令人兴奋的可能性。"
参考文献
Miguel Bezares et al, No Evidence of Kinetic Screening in Simulations of Merging Binary Neutron Stars beyond General Relativity, Physical Review Letters (2022).
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