中子星的合并终结了暗物质和暗能量的替代


在合并的最后时刻,两个中子星不仅发射出引力波-爆炸性的爆炸性爆炸,在整个电磁波谱中产生响应。 光波与引力波到达时间的差异使我们对宇宙有了更多的了解

向天体物理学家询问当今宇宙的最大奥秘-两个最常见的答案将是“暗物质”和“暗能量”。 地球上的一切都由原子组成,而原子又由基本粒子组成,仅占宇宙能量预算的5%。 宇宙的95%的能量以暗物质和暗能量的形式包含在这两种形式中,而这两种形式至今仍未直接观察到,或者是我们对宇宙的想法完全错误。 这些理论的替代方法已经探索了很长时间,并且它们的各种变体导致了稍微不同的物理后果。 在我们首次观察到中子星的聚变并以引力波和相当广谱的光的形式接收信号之后,这些替代方法中的很大一部分都被拒绝了。 暗物质和暗能量经受了实验的考验。


超质量动态银河星团Abell 370的引力质量(大部分是暗物质)以蓝色标记

在天体物理学和宇宙学中,暗物质和暗能量应该解决几个主要难题。 在暗物质的一部分中,它们主要与星系的形成,旋转和积累有关,在暗能量的一部分中,它们与宇宙的膨胀速度及其随时间的演化有关。 一些观察可以通过对重力理论的一些改进来证明是正确的,并且这不需要暗物质和暗能量。 致力于这些改进的人们希望,他们会找到一个正确的建议,即能够做出与暗物质和暗能量理论不同的新预测的一个预测,并且可以进行验证。


宇宙网的形成受暗物质控制,最大尺度的结构受膨胀速度和暗能量控制。 由于普通物质的坍塌,在电磁作用下会形成沿钢绞线的小结构。

但是对重力的修改,无论是试图解释暗物质还是暗能量(更不用说同时解释两种理论),都是必须非常谨慎地玩的游戏。 爱因斯坦的广义相对论已经得到了全面的检验,其预测每次都得到实现。 通过修改重力,您正在改变这一理论,因此必须做到这一点,以免与已经进行的所有观测和测量相矛盾。 结果,许多变化的变化进入了一个尚未经过很好测试的区域:一个允许重力变化的区域。 在爱因斯坦的理论中,引力的速度始终且精确地等于光。 但是许多替代理论改变了这一假设。


Illustris项目模拟中的大型投影在z = 0的偏移处,以15 Mpc / h的深度最重的群集为中心[h是无量纲的哈勃参数 /约。 翻译]。 演示了暗物质密度(左)到气体密度(右)的过渡。 尽管正在尝试改变引力,但如果没有暗物质,就无法解释宇宙大型结构的构造。

通常认为,暗能量是宇宙学常数,光和重力的速度也是恒定的(并且彼此相等)。 替代公式会增加一些复杂性:标量字段或一组其他字段。 这是修改模型的常见地方-例如伽利略协变 ,大引力, 具有大引力子的引力爱因斯坦以太理论张量-矢量-标量引力霍拉瓦引力 。 在许多情况下,取决于标量场与广义相对论的标准重力(张量)场如何相互作用,重力的速度不同于光速或随时间变化。 但是中子星聚变事件GW170817产生的伽马射线和引力波相差1.7秒的事实意味着引力的速度应该与光速相等,误差不超过10 -15


所有无质量的粒子都以光速传播,包括光子,胶子和引力波,并分别携带电磁,强核和引力相互作用。 GW170817的重力波和电磁波到达时间的实际重合非常重要。

结果,驳斥了具有标准暗能量的标准GTR 大量替代品。 距离1.3亿光年的光与引力信号之间的1.7 s差异如此之小,这意味着重力速度不会随时间变化,或者系统地大于或小于光速。 在重力张量理论上添加标量场,您会得到两个主要效果:

  • 出现了附加速度的张量项,从而增加了引力波的传播速度。
  • 有效的普朗克质量标度随时空混响变化,这改变了宇宙膨胀过程中引力波的衰减。

光速和重力的速度以这样的精度相等的事实表明,所有对该类型进行修改的理论都受到严格限制,并且事实上,这些模型中的大多数都遭到了驳斥。


引力波和电磁波的到达时间已经证明了许多拒绝暗能量的引力变化。

在暗物质的情况下,产生改良引力的尝试甚至更糟 。 大多数修改都改变了大质量物体的相互作用定律,从而改变了时空包含质量的区域中的引力。 当以光速运动的物体(例如光子或引力波)穿过该空间时,这些信号会根据广义相对论( 即Shapiro效应)而变慢。 如果暗物质的标准概念是正确的,那么在相距1.3亿光年的情况下,阻碍前进的物质会将这个信号延迟大约三年。 但是,如果您改变引力以消除暗物质,则会严重改变引力波在太空中传播的特性。


当光,引力波或任何无质量的粒子穿过包含大量物质的空间区域时,路径由于该空间的扭曲而弯曲,从而导致到达时间的延迟。 在大多数修正重力的理论中,光波和引力波的延迟是不同的。

不含暗物质的改良重力理论,例如TeVeS或MoG / Scalar-Tensor-Vector ,具有特殊性-重力波沿测地线传播-时空的不同路径-与光子和中微子所遵循的路径不同。 简而言之,引力波必须沿着仅由正常物质决定的路径传播,光子和中微子必须沿着由有效质量决定的路径传播:总的来说,正常物质具有模拟暗物质的作用。 这种差异将导致光子和引力波到达时间的差异约为800天,而不是实际观察到的1.7秒。

考虑到重力波和电磁信号的互相关性,这些选择在没有暗物质的情况下将被拒绝


NGC 4993中中子星合并的各种质量源及其对光波和引力波通过延迟的影响

当引力波和光子(电磁波)在空间中传播时,空间的曲率和膨胀会以完全相同的方式影响它们。 也就是说,当您使用GR时。 如果您改变了引力理论(例如,尝试摆脱暗物质和/或暗能量),那么只有物质及其质量会影响引力波,而这种修饰的影响会影响光子和其他粒子。 由于来自合并中子星的引力波和光信号同时到达,它们以相同的速度在空间中移动,并经历相同的减速度。 准确的精度足以排除没有暗物质的改良重力理论的主要候选人。


各种碰撞的银河星团的X射线辐射(粉红色)和总物质(蓝色)的图显示法向物质和引力效应之间有清晰的分隔,这是存在暗物质的最有说服力的证据之一。 现在必须吸引替代理论,以至于许多人发现它们简直荒谬。

仍然有几种应变模型保留了修改引力的希望-例如,非局部引力理论(引力效应和质量排列不重合),或者引力波和电磁波服从不同规则的理论。 但是,即使这些想法也受到新的引力波观测的严重限制,并且它们还越来越需要类似于暗物质和暗能量的影响才能生存。 修正的引力还没有被遗忘,但它的许多最大希望却刚刚破灭。 爱因斯坦以其原始的,未改变的形式的理论仍然存在。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN411253/


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