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廣義相對論構(gòu)成了現(xiàn)代宇宙學的基礎(chǔ)，而暗能量雖然是我們不能直接觀測的現(xiàn)象，但科學家已經(jīng)提出了許多相關(guān)理論，用以解釋宇宙學的各種現(xiàn)象。但是，新研究顯示，廣義相對論、暗能量等理論并不能解釋科學家觀察到的大尺度結(jié)構(gòu)的相關(guān)變化。
文 | 聞靜
從廣義相對論到暗能量
1916 年，愛因斯坦正式提出廣義相對論，首次把引力場等效成時空的彎曲。1929 年，哈勃提出“宇宙正在膨脹著。星系之間的空間隨時間線性增加，星系本身并沒有改變；而且星系越遠，離去得越快”。此后，物理學家們以廣義相對論為理論基礎(chǔ)，以哈勃定律為觀測依據(jù)，發(fā)展出大爆炸理論（也被稱為現(xiàn)代宇宙學標準模型），并建立了現(xiàn)代宇宙學。
對我們而言，理解宇宙是物質(zhì)組成的非常輕松。但如果宇宙全是物質(zhì)，那么物質(zhì)受引力影響向內(nèi)坍塌，在短時間內(nèi)就會出現(xiàn)大坍縮。為了對抗這樣的坍塌，宇宙中必須要有另一種形式的能量。因此，為了更好地解釋我們觀測到的宇宙演化過程，物理學家提出了宇宙中存在三種能量形式：物質(zhì)、輻射和暗能量。
當宇宙被輻射主導時，星系之間相互遠離的速度會降低；當宇宙被物質(zhì)主宰時，星系之間相互遠離的速度會降低，但本身的移動速度會更慢；當宇宙被暗能量主導時，星系之間相互遠離的速度會增加。而我們現(xiàn)在就處在宇宙被暗能量主導的時期，那些遙遠的星系在加速遠離我們。
大尺度結(jié)構(gòu)增長受到抑制
天文學家研究宇宙演化的一個方法，就是觀測宇宙在大范圍內(nèi)（典型的尺度是十億光年）質(zhì)量和光的分布特征，這種分布特征就叫做宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。宇宙大尺度結(jié)構(gòu)就像無數(shù)個氣泡密密麻麻地重疊在一起，星系團等構(gòu)成氣泡的膜（致密區(qū)域），當中為空虛的空間?？茖W家推斷，在宇宙演化的過程中，大尺度結(jié)構(gòu)也在以一定的速度持續(xù)增長，即致密區(qū)域?qū)⒆兊酶又旅?，而空間將變得更加空虛。
暗能量加速了宇宙在全球范圍內(nèi)的膨脹，但卻對大尺度結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了相反的影響。如果說引力像一個放大器，可以促進大尺度結(jié)構(gòu)的增長，那么暗能量就像一個衰減器，會抑制物質(zhì)之間的擾動，減緩大尺度結(jié)構(gòu)的增長。
近日，發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）的一篇文章顯示，在有暗物質(zhì)和暗能量的標準模型中，科學家觀察到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的成長速度依舊比愛因斯坦的廣義相對論預(yù)測的要慢。也就是說，雖然理論認為暗物質(zhì)和暗能量會抑制大尺度結(jié)構(gòu)的增長，但還是無法完全解釋大尺度結(jié)構(gòu)增長受到的抑制。
認識引力和暗能量本質(zhì)的機會
研究人員使用多種宇宙學探測方法，包括宇宙微波背景、星系弱引力透鏡探測和星系運動，以推斷宇宙中物質(zhì)分布。探測結(jié)果表明，宇宙中大型結(jié)構(gòu)生長確實受到抑制，并且時間越接近現(xiàn)在，增長率差異越大。
這個研究的結(jié)果挑戰(zhàn)了我們已有的對宇宙演化的理解?！霸斐蛇@種效應(yīng)的原因可能是由于暗能量和暗物質(zhì)具有一些我們不知道的特性，或者是包括廣義相對論在內(nèi)的各種模型還存在需要改進的地方，”文章的作者之一、美國密歇根大學物理學教授德拉甘?胡特爾（Dragan Huterer）表示，“宇宙可能在試圖告訴我們一些事情。我們需要更多的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以確定為什么我們的標準模型考慮了暗物質(zhì)、暗能量的影響，還是觀察到比預(yù)期慢的大尺度結(jié)構(gòu)成長。”
“研究宇宙結(jié)構(gòu)如何聚集和增長，許多可以幫助我們理解引力和暗能量的本質(zhì)。”文章的通信作者、密歇根大學物理系博士后研究員 Nhat-Minh Nguyen 說。
參考文獻：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.111001
The universe caught suppressing cosmic structure growth | University of Michigan News (umich.edu)
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