中國科學家提出利用宇宙大尺度結構的形態學特徵來檢驗重力理論

由2微米全天巡天的擴散源目錄的星系和點源
中國科學技術大學天文學系特任研究員方文娟與合作者在利用天文數據檢驗重力理論的研究中取得新成果,提出了利用宇宙大尺度結構的形態學特徵來檢驗重力理論的新方法,並通過大型數值模擬驗證了該方法的有效性。

宇宙在加速膨脹這個現象自1998年發現以來,給基礎物理學帶來了巨大的挑戰。 2011年,該發現授予諾貝爾物理學獎。但宇宙加速膨脹的物理機制至今仍然是個謎。在廣義相對論的框架下,解釋宇宙加速膨脹通常需引入一種具有負壓強的能量形式(暗能量)作為其動力機制,然而基本粒子物理目前並不能給出令人滿意的暗能量模型。與此同時,鑑於廣義相對論迄今只在太陽系、並合黑洞、脈衝雙星等天體物理尺度上得到驗證,如果在宇宙學等更大尺度上該理論需要修正,宇宙的加速膨脹也可以得到合理解釋,而無需引入神秘的暗能量。近十幾年來,這類修正廣義相對論的重力理論發展迅速,而如何利用宇宙學的觀測數據來檢驗和甄別不同的重力理論也相應成為宇宙學新的研究方向。

宇宙的大尺度結構蘊涵著關於宇宙演化的豐富信息,是檢驗重力理論的理想場所。現有的檢驗方法以利用其兩點關聯函數等傳統觀測量為主,但N點關聯函數只能探測其N階統計性質,並且在N>2時,測量複雜度急劇增加。為此,方文娟與英國杜倫大學教授李寶九及中國科學院國家天文台研究員趙公博提出了利用大尺度結構的形態學特徵來檢驗重力理論的新方法。在數學上,一個三維幾何體的形態學特徵可由0至3階閔可夫斯基泛函完全描述。在大尺度結構的研究中,將由某一密度閾值指定的高密度區域取為該幾何體,即可進行相應測量。與N點關聯函數相比,閔可夫斯基泛函可以同時探測各階統計性質,不僅測量簡單易行,還具有受系統誤差影響較小等優點。

借助最新的大型電腦數值模擬,該團隊首次揭示並詳細分析了在修正重力和廣義相對論框架下大尺度結構形態學特徵的差異,並發現上述方法對修正重力理論具有顯著的限制能力:對於一個巡天體積約為0.1(h-1Gpc)3、星系密度約為1/(h-1Mpc)3的理想星系巡天觀測而言,單個測量值即可將不同引力理論以5σ以上置信度區分開來;而對於目前正在運行或已提上日程的實際星系巡天觀測而言,雖然單一測量值的區分度減弱,但通過聯合所有的測量值,該方法的強大區分功能應仍可奏效。這類檢驗手段的逐步完善不但將前所未有地在宇觀尺度上驗證廣義相對論,還有望揭示出宇宙加速膨脹的真正起源。

【圖:互聯網;文:節錄自中國科學技術大學網頁;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在已經出版的《物理評論快報》

發表回覆