牛頓引力，通過了有史以來最大尺度的考驗

1687年，牛頓（Issac Newton）在《自然哲學的數學原理》一書中指出，兩個有質量物體之間的引力，與它們之間距離的平方成反比。長期以來，這一著名的平方反比定律已經在實驗室實驗和太陽系內部得到驗證。

現在，在一項于近期發表在《物理評論快報》的研究中，研究人員利用阿塔卡馬宇宙學望遠鏡（ACT）的觀測數據，將這一定律的驗證范圍擴展到了可能達到的最大尺度：彼此相隔數億光年的星系團。

位于智利的ACT測量的是大爆炸的余輝——宇宙微波背景，并且尤其擅長識別星系團。（圖/Debra Kellner）

宇宙中的速度之謎

宇宙中有超過2000億個星系，而它們的運動方式并不符合僅憑可見物質的引力所作出的預測。

根據牛頓的平方反比定律，距離星系中心越遠的恒星，繞行速度應該越慢。但天文學家觀察到的情況卻并非如此：星系最外側區域的運動速度，遠遠快過可見物質所能解釋的范圍。同樣的現象也出現在星系團中——整個星系的運動速度相對于其質量而言也過快。

引力與距離的平方成反比，這就意味著那些距離星系中心更遠的天體所感受到的引力，比靠近星系中心的更弱，所以它們的繞行速度也會更慢。然而，真實的觀測卻告訴我們，天體的速度在超過特定的距離后就會開始趨于平穩，而不是像預期那樣下降。（圖/原理）

為了解釋這些匪夷所思的觀測結果，天文學家提出，宇宙中存在大量不可見的、提供了額外引力的暗物質。然而，關于暗物質的本質，至今仍無從知曉。天文學家尚未探測到任何暗物質存在的跡象，這也為其他的可能性留下了機會。

一些理論學家提出了“修改的牛頓動力學”（MOND理論）等理論，試圖通過修改引力物理學來消除暗物質。該理論假設在星系尺度上，引力與標準的牛頓引力不同。

如此一來，核心謎題就變成了：要么宇宙中存在我們無法直接看見的暗物質，要么引力在非常大的尺度上需要修正。

在星系團之間檢驗引力

星系團是宇宙中最大的結構。每一個星系團都可能包含數百個星系，它們通過彼此之間的引力結合在一起。一個星系團的質量可以達到太陽的千萬億倍，尺度可橫跨數千萬光年。

在新的研究中，研究人員結合了數十萬個星系團的位置及其運動速度的獨立統計測量結果，從而探測它們之間的引力。正如距離太陽更近的行星運動得更快一樣，兩個彼此更接近的星系團，相對于彼此的運動速度也會更快。因此，任意兩個星系團之間的相對速度如何隨它們之間的距離變化，可被用于探測引力的性質。

然而，事情卻并沒有這么簡單。因為兩個星系團之間的相對速度，不僅取決于它們自身產生的引力，還取決于周圍所有星系團的引力影響。為了解決這一問題，研究人員從斯隆數字化巡天（SDSS）中提取了星系空間分布的測量結果。他們將一個帶有可調參數的廣義力學定律應用于這一空間分布，以預測星系團對之間的相對速度會如何隨距離變化。

隨后，研究人員將這一預測與ACT獲取的速度數據進行比較。ACT測量的是一種古老的光，這種光在大爆炸后約38萬年被釋放出來，并從那時起一直在宇宙中傳播，形成所謂的宇宙微波背景（CMB）。

當來自CMB的光子穿過大質量星系團時，它們會與其中的電子發生相互作用。根據這個星系團是在朝向地球運動，還是在遠離地球運動，這些光子的能量會出現輕微增加或減少——這種效應被稱為運動學SZ效應。

研究人員利用運動學SZ效應來測量成對星系團彼此靠近的速度，并檢驗引力是否會像標準物理學所預測的那樣隨距離減弱。（圖/Lucy Reading/Simons Foundation）

研究人員將重點放在距離地球56億至77億光年的星系團上。最終，他們確定了在8000萬至8億光年的距離范圍內，引力強度與距離的2.1次方成反比，誤差范圍為正負0.3。

也就是說，觀測結果與牛頓平方反比定律相一致。

暗物質之謎

這項研究證實，在浩瀚的星系外距離上，引力的表現與既有理論的預測一致，這進一步鞏固了現代科學的一項基本支柱——標準宇宙學模型。這些數據表明，引力的基本理論并不會在最大尺度上失效，因此實際上堵上了一類理論的出路，例如MOND理論。這樣的結果意味著，弄清暗物質究竟是什么，仍然是現代物理學面臨的最大挑戰之一。

#參考來源：

https://penntoday.upenn.edu/news/gravity-follows-newton-and-einsteins-rules-even-cosmic-scales

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/rk8v-rcm3

https://www.science.org/content/article/newton-s-law-gravity-passes-its-biggest-test-ever

#圖片來源：

封面圖&首圖：NASA; ESA; J. Lotz and the HFF Team/STSci