欧几里得太空任务即将发射它将如何测试替代引力理论

欧洲航天局(Esa)的欧几里德任务将于7月1日或不久后由SpaceX的Falcon9火箭发射升空。我们中的许多参与其中的人都将在佛罗里达州观看这一令人紧张的事件。

该任务专门用于研究暗宇宙，探测“暗物质”和“暗能量”——被认为占宇宙能量密度95%的未知物质。

但它也将能够测试一些奇怪的、替代性的引力模型——可能挑战阿尔伯特·爱因斯坦伟大的广义相对论。

近一个世纪以来，科学家们已经知道暗物质的存在。这是在天文学家注意到星系团中的星系具有神秘的高速度之后提出的。这样的速度应该会导致团簇蒸发，除非有一些额外的质量将它们固定在一起。由于这种物质不像可见星系那样发光，因此被称为暗物质。

引力透镜是观察这种暗物质的新工具。这种效应依赖于我们对广义相对论的理解。当光从遥远的星系传播到我们时，它的路径会被前景中的大块物质(黑暗或明亮)弯曲，从而改变它们的外观(和位置)。

这种变化在大质量星团的核心附近很容易看到(见下图)——星系被拉伸成弧形，看起来又长又细又弯曲。我们可以使用这种扭曲来确定前景簇中的物质数量。这再次证实了这些星团中的大部分质量确实是黑暗的。

但它是由什么制成的呢?许多物理学家认为它是一种未知的基本粒子。一个尚未被发现的流行候选者是轴子，最初引入轴子是为了解释为什么自然界的某些基本对称性似乎被打破。

然而，还有其他可能性。我们可以探测引力，而不是假设需要暗物质。在星系及其以外的尺度上，引力的强度可能会比预测的要弱。在这些尺度上，有一些替代的引力模型可以解释星系旋转曲线，而无需假设存在任何暗物质。这些替代方案面临的挑战是在所有规模上始终如一地做到这一点。

虽然在地球上进行了几次暗物质粒子搜索，但迄今为止尚未找到重要证据。因此，星系团的天文观测仍然是我们检验可以解释暗物质的各种理论的最佳选择。这就是欧几里得的优势所在，因为它具有出色的分辨率，可以在三分之一的天空中提供类似于哈勃太空望远镜(见图)的清晰度。相比之下，哈勃望远镜只观测到了整个天空的5%。

通过欧几里德，我们获得的星团图像数量将增加一百倍，使我们能够高精度地详细研究此类星团内暗物质的分布。暗物质的分布方式可能是其起源和质量的关键，从而排除了一系列可能的候选粒子和引力理论。

暗能量和引力

与暗能量相比，暗物质可能更容易理解，暗能量的提出是为了解释宇宙正在加速膨胀的发现，这与爱因斯坦引力理论的预测不一致。这种奇怪的物质让物理学家和宇宙学家感到烦恼，最简单的想法是暗能量只是真空的能量(“真空能量”)。

本质上，当我们在膨胀的宇宙中获得更多空间时，我们获得更多真空能量，从而驱动观察到的加速度。

这个简单的解释是合理的，除了一个令人不安的事实，即观测到的暗能量密度比量子理论预测的要低许多数量级，量子理论在最小尺度上统治着宇宙。简而言之，这个简单的解释提出的问题多于它给出的答案。

与暗物质一样，对暗能量的另一种解释是，它根本不是真正的物质或能量形式，而是重力在最大尺度上表现不同的标志。

这引发了一系列新想法，将我们的引力理论扩展到广义相对论之外。例如，重力是否存在于比宇宙其他部分经历的四个维度(三个空间维度加时间)还要多吗?是否存在我们还不知道的与重力相互作用的新基本场?

或者，也许爱因斯坦的理论对于我们在地球上经历的弱引力场是有效的，但在极强的引力场中却变得完全不同，比如黑洞事件视界附近的引力场。

所有这些替代引力模型面临的挑战是对于暗物质和暗能量来说如何协同工作。理想情况下，它们应该作为一个单一的理论适用于所有规模和质量。物理学家坚信奥卡姆剃刀原理——最好的理论有最少的假设。

欧几里得将通过绘制宇宙广阔区域上数百万个星系的位置来帮助我们测试这些奇异的引力模型。这使我们能够追踪“宇宙网”，即空间中由细丝和空隙组成的海绵状结构。这些似乎首先沉积在暗物质中，然后散布在星系中。

这个宇宙网是由数十亿年的引力塌缩形成的，这意味着它的结构和统计数据对宇宙尺度上的引力定律很敏感。通过测量其性质，我们可以确定新的引力理论是否比爱因斯坦的理论更适合数据。

当我们返回地球时，天体物理学界对欧几里得将要做的事情感到非常兴奋。这是我们第一次拥有一颗专门用于绘制暗物质和暗能量地图的卫星。

欧几里得的数据将持续一生，一代又一代的宇宙学家将毕生致力于研究它。当我们看到欧几里得升入佛罗里达天空时，我们将更接近回答一些最基本的科学问题。