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科學(xué)家提出利用宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)特征來檢驗(yàn)引力理論的新方法

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科學(xué)家提出利用宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)特征來檢驗(yàn)引力理論的新方法

摘要: 　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系特任學(xué)習(xí)員方文娟與合作者在利用天文數(shù)據(jù)檢驗(yàn)引力理論的學(xué)習(xí)中取得新成果，提出了利用宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)特征來檢驗(yàn)引力理論的新方法，并通過大型數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方法的有效 ...

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系特任學(xué)習(xí)員方文娟與合作者在利用天文數(shù)據(jù)檢驗(yàn)引力理論的學(xué)習(xí)中取得新成果，提出了利用宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)特征來檢驗(yàn)引力理論的新方法，并通過大型數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方法的有效性。該成果以New Probe of Departures from General Relativity Using Minkowski Functionals 為題，發(fā)表在2017年5月的物理評(píng)論快報(bào)上（Phys. Rev. Lett. 2017，118，181301）。論文的第一作者兼通訊作者為方文娟。
　　宇宙在加速膨脹這一驚人現(xiàn)象自1998年被發(fā)現(xiàn)以來，給基礎(chǔ)物理學(xué)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。2011年，該發(fā)現(xiàn)被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但宇宙加速膨脹的物理機(jī)制至今仍然是個(gè)謎。在廣義相對(duì)論的框架下，解釋宇宙加速膨脹通常需引入一種具有負(fù)壓強(qiáng)的能量形式（即“暗能量”）作為其動(dòng)力機(jī)制，然而基本粒子物理目前并不能給出令人滿意的暗能量模型。與此同時(shí)，鑒于廣義相對(duì)論迄今只在太陽系、并合黑洞、脈沖雙星等天體物理尺度上得到驗(yàn)證，如果在宇宙學(xué)等更大尺度上該理論需要修正，宇宙的加速膨脹也可以得到合理解釋，而無需引入神秘的暗能量。近十幾年來，這類修正廣義相對(duì)論的引力理論發(fā)展迅速，而如何利用宇宙學(xué)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)和甄別不同的引力理論也相應(yīng)成為宇宙學(xué)新的學(xué)習(xí)前沿。
　　宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)蘊(yùn)涵著關(guān)于宇宙演化的豐富信息，是檢驗(yàn)引力理論的理想場(chǎng)所�，F(xiàn)有的檢驗(yàn)方法以利用其兩點(diǎn)關(guān)聯(lián)函數(shù)等傳統(tǒng)觀測(cè)量為主，但N點(diǎn)關(guān)聯(lián)函數(shù)只能探測(cè)其N階統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，并且在N2時(shí)，測(cè)量復(fù)雜度急劇增加。為此，方文娟與英國杜倫大學(xué)教授李寶九及中國科學(xué)院國家天文臺(tái)學(xué)習(xí)員趙公博提出了利用大尺度結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)特征來檢驗(yàn)引力理論的新方法。在數(shù)學(xué)上，一個(gè)三維幾何體的形態(tài)學(xué)特征可由0至3階閔可夫斯基泛函完全描述。在大尺度結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)中，將由某一密度閾值指定的高密度區(qū)域取為該幾何體，即可進(jìn)行相應(yīng)測(cè)量。與N點(diǎn)關(guān)聯(lián)函數(shù)相比，閔可夫斯基泛函可以同時(shí)探測(cè)各階統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，不僅測(cè)量簡單易行，還具有受系統(tǒng)誤差影響較小等優(yōu)點(diǎn)。
　　借助最新的大型計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，該團(tuán)隊(duì)首次揭示并詳細(xì)分析了在修正引力和廣義相對(duì)論框架下大尺度結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)特征的差異，并發(fā)現(xiàn)上述方法對(duì)修正引力理論具有顯著的限制能力：對(duì)于一個(gè)巡天體積約為0.1(h-1Gpc)3、星系密度約為1/(h-1Mpc)3的理想星系巡天觀測(cè)而言，單個(gè)測(cè)量值即可將不同引力理論以5σ以上置信度區(qū)分開來；而對(duì)于目前正在運(yùn)行或已提上日程的實(shí)際星系巡天觀測(cè)而言，雖然單一測(cè)量值的區(qū)分度減弱，但通過聯(lián)合所有的測(cè)量值，該方法的強(qiáng)大區(qū)分功能應(yīng)仍可奏效。這類檢驗(yàn)手段的逐步完善不但將前所未有地在宇觀尺度上驗(yàn)證廣義相對(duì)論，還有望揭示出宇宙加速膨脹的真正起源。
　　該項(xiàng)學(xué)習(xí)得到國家自然科學(xué)基金、中科院的資助。
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　　圖: 宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的各階閔可夫斯基泛函（圖左）及其在修正引力模型和廣義相對(duì)論下的差異（圖右）。對(duì)理想星系巡天而言，單個(gè)測(cè)量值即可將修正引力模型（除F6外）與廣義相對(duì)論以5σ以上置信度區(qū)分開來。科學(xué)家提出利用宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)特征來檢驗(yàn)引力理論的新方法  |  責(zé)任編輯：蟲子
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