在艾萨克?牛顿提出万有引力定律3个多世纪后，天体物理学家利用宇宙中最大的天体对其进行了验证。此前，牛顿著名的平方反比定律已在实验室实验和太阳系范围内得到验证。近日发表于《物理评论快报》的这项研究，将该定律的适用范围拓展到可能达到的最大尺度——相距数亿光年的星系团。
阿贝尔370星系团包含数百个星系。研究人员探测了此类巨型结构之间的引力如何在数亿光年尺度上变化。图片来源：NASA; ESA; J. LOTZ AND THE HFF TEAM/STSCI
“我们知道它在地球及单个星系内的表现都非常出色。”美国耶鲁大学天体物理学家Priyamvada Natarajan说，他们正以宇宙学尺度对其进行检验。
Natarajan表示，这一结果并不意外，但它进一步强化了对替代理论——修正牛顿动力学（MOND）的限制。该理论通过调整引力效应来解释暗物质，这种不可见物质的引力似乎能将星系内的恒星束缚在一起。
牛顿定律指出，两个大质量物体之间的引力与它们之间距离的平方成反比。该公式于1687年发表于《数学原理》，帮助牛顿解释了行星轨道，正如约翰内斯?开普勒三大行星运动经验定律所量化的那样。一个世纪后，亨利·卡文迪许在实验室中通过将一个小哑铃悬挂在一根细丝上，并将其他重物靠近其两端来证实了这一定律。通过测量细丝的扭转程度，他确定了重物之间微小的引力如何随距离变化。如今，物理学家进行更精确的卡文迪许实验，以寻找平方反比定律的偏差，这可能预示着新的短程力。
现在，智利阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）的研究人员将此类检验拓展至可想象的最大尺度。“星系团确实是宇宙中最大的结构。”美国宾夕法尼亚大学的宇宙学家、ACT合作者Patricio Gallardo说。这些星团每一个都可包含数百个星系，由相互引力束缚。一个星系团的质量可达太阳的千万亿倍，并且跨度可达数千万光年。
研究人员通过结合星系团位置及其运动速度的独立统计测量，探测了数以万计的星系团之间的作用力。美国南加州大学的宇宙学家Kris Pardo说，就像离太阳越近的行星运动越快一样，距离越近的两个星系团相对运动速度也越快。因此，任意两个星系团的相对速度随距离的变化，可探测引力的本质。
但这并非简单直接的过程。因为两个星系团的相对速度不仅取决于它们自身产生的引力，还取决于所有周围星系团的引力。为解决这一复杂问题，研究人员首先从斯隆数字巡天项目中提取了星系空间分布的测量数据，该项目自2000年以来已绘制了数百万个星系的图谱。他们将带有可调参数的广义力定律应用于这一空间分布，以预测星系团对的相对速度如何随距离变化。
研究人员随后将这一预测与2007年至2022年运行的ACT望远镜获取的速度数据进行对比。ACT望远镜测量了宇宙大爆炸的余晖，即宇宙微波背景（CMB），尤其擅长探测星系团。当来自CMB的光子穿过星系团时，会与团内电子碰撞，根据星系团朝向或远离地球的运动方向获得或失去能量——这一效应被称为苏尼亚耶夫-泽尔多维奇（kSZ）效应。该效应使星系团易于被观测，并能直接测量其速度。
为避免宇宙膨胀和空间拉伸暗能量的干扰效应，研究人员聚焦于56亿至77亿光年外的星系团——这是宇宙历史中的一个快照。Pardo表示，研究团队探测到了低至10飞米每二次方秒的加速度，相当于地球引力的千万亿分之一。在8000万至8亿光年的距离内，引力随距离的2.1次方反比变化，误差±0.3，完美证实了牛顿万有引力定律。
牛顿定律的胜利以修正牛顿动力学（MOND）的失败为代价。该理论于20世纪80年代提出，旨在避免引入暗物质，它并未改变牛顿万有引力定律，而是在极低加速度下修改了牛顿第二运动定律——力等于质量乘以加速度。但如果MOND正确，那么在最大尺度上，引力将与距离成反比，而非距离平方。Gallardo表示，MOND已经难以描述宇宙的演化，新数据又是一次沉重打击。
Gallardo说，或许更重要的是，这项研究展示了利用kSZ效应测量速度的强大能力。ACT的继任者——名为西蒙斯天文台的微波望远镜阵列已开始获取数据。它将以更高精度测量kSZ 效应，为追踪暗能量和宇宙膨胀历史提供工具。“这种方法还有更多应用潜力。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1103/rk8v-rcm3
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