天體物理學中最大的謎題之一可以通過重寫愛因斯坦的引力理論來解決嗎？根據美國宇航局（NASA）科學家共同撰寫的一項新研究，現在還不行。宇宙正在加速膨脹，而物理學家不知道為什麼。這一現象似乎與科學家們所了解的關於引力對宇宙的影響的一切相矛盾：這就像你把一個蘋果扔到空中，它沒有回落，而是繼續向上，速度越來越快。宇宙加速的原因，被稱為暗能量，仍然是一個謎。
一項新研究標誌着最新的努力，以確定這一切是否只是一個誤解：對整個宇宙尺度上的引力如何工作的期望是有缺陷的或不完整的。這種潛在的誤解可能有助於研究人員解釋暗能量。然而，這項研究–迄今為止對因斯坦的宇宙尺度引力理論的最精確測試之一–發現目前的理解似乎仍然是正確的。該研究來自國際暗能量調查，使用智利的Victor M. Blanco 4米望遠鏡。
8月24日，在里約熱內盧舉行的國際粒子物理學和宇宙學會議（COSMO’22）上，由包括美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）的一些科學家撰寫的這一結果被公布。這項工作有助於為即將到來的兩個太空望遠鏡奠定基礎，這兩個望遠鏡將以比新研究更高的精度探測我們對引力的理解，也許最終會解開這個謎團。
一個多世紀以前，愛因斯坦提出了他的廣義相對論來描述引力。到目前為止，它準確地預測了從水星的軌道到黑洞的存在等一切。但是一些科學家認為，如果這個理論不能解釋暗能量，那麼也許他們需要修改它的一些方程或增加新的內容。
為了查明情況是否如此，暗能量調查的成員尋找證據，證明引力的強度在整個宇宙的歷史中或在宇宙的距離中是不同的。一個積極的發現將表明愛因斯坦的理論是不完整的，這可能有助於解釋宇宙的加速膨脹。他們還研究了除Blanco之外的其他望遠鏡的數據，包括歐空局的普朗克衛星，並得出了同樣的結論。
根據該研究，愛因斯坦的理論仍然有效。所以現在還沒有對暗能量的解釋。然而，這項研究將為即將到來的兩項任務提供資料。歐空局的Euclid任務，預計不早於2023年發射，該任務有美國宇航局的貢獻；美國宇航局的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡，目標是不晚於2027年5月發射。這兩台望遠鏡將搜索引力強度隨時間或距離的變化。
科學家如何知道宇宙的過去發生了什麼？通過觀察遙遠的天體。一光年是衡量光在宇宙真空中沿直線經過一年時間的距離。這意味着一個一光年外的天體在我們面前顯示的是一年前的樣子，也就是光第一次離開該天體的時候。而數十億光年外的星系在我們面前則是數十億年前的樣子。這項新研究考察了延伸到過去大約50億年的星系。Euclid望遠鏡將窺視80億年前的歷史，而羅曼望遠鏡將回望110億年前。
星系本身並沒有顯示出引力的強度，但是從地球上看它們的樣子卻顯示了出來。我們宇宙中的大多數物質都是暗物質，它們不會發射、反射或以其他方式與光互動。雖然物理學家不知道它是由什麼構成的，但他們知道它的存在，因為它的引力把它暴露出來。我們宇宙中的大型暗物質庫使空間本身扭曲。當光在太空中旅行時，它遇到了這些扭曲的空間部分，導致遙遠的星系的圖像出現彎曲或模糊。這在美國宇航局詹姆斯-韋伯太空望遠鏡發布的首批圖像中得到了展示。
暗能量調查項目的科學家們在星系圖像中搜索由於暗物質彎曲空間而造成的更微妙的扭曲，這種效應稱為弱引力透鏡。引力的強度決定了暗物質結構的大小和分佈，而大小和分佈反過來又決定了這些星系在我們看來是如何扭曲的。這就是圖像如何能夠揭示在離地球不同的距離和整個宇宙歷史上的遙遠時期的引力強度。該小組現在已經測量了超過1億個星系的形狀，到目前為止，觀察結果與愛因斯坦理論所預測的相符。
研究報告的共同作者Agnès Ferté說：“隨着測量越來越精確，仍然有挑戰愛因斯坦引力理論的餘地，”他作為JPL的博士后研究員進行了這項研究。“但是，在我們為Euclid和羅馬望遠鏡做好準備之前，我們仍有許多事情要做。因此，我們必須繼續與世界各地的科學家們合作解決這個問題，就像我們在暗能量調查中所做的那樣。”