突破修正引力的屏障

来源：牧夫天文

突破修正引力的屏障

文章来源：Nature Astronomy volume 3, pages: 887–888 (2019)

原作：Marco Baldi

翻译：艾宇熙

校对：牧夫天文校对组

编排：王璞

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

理论天体物理中的一个高难度挑战是，理解并模拟星系形成过程中发生的复杂多层次物理学和天体物理学过程。另一方面，宇宙加速膨胀的谜题尚未解决，而这对我们理解基本物理规律至关重要，特别是宇宙学尺度上的爱因斯坦广义相对论。

因此，很多研究致力于拓展引力理论以更好描述宇宙膨胀等现象。在最近的《自然·天文学》期刊中，Christian Arnold及其合作者发表了一篇论文，通过超级计算机模拟，研究各种修正引力理论对星系形成的影响。他们成功将独立提出的星系形成模型和独立提出的引力理论结合，建立起二者之间的联系。

在此之前，对于星系形成的模拟和对引力理论的模拟往往是分别研究的，它们都需要很大的计算资源，因此很难把二者汇入同一理论框架。此外二者的效果从观测上也混在一起，这也使得我们难以将其同时研究清楚。

图 1：Arnold以及合作者的模拟中给出的图。描述了一个由于旋转而稳定存在的星系中，一个截面中气体的密度。

图中的颜色对应着f(R)修正引力理论对于气体的影响程度。黄色区域表示影响程度最大的区域（接近1.3），而黑色区域表示由于屏蔽效应而无影响的区域，也就是此时我们又回到了修改之前的爱因斯坦理论。

宇宙大爆炸之后，宇宙暴涨阶段产生了原初密度扰动，导致物质分布在空间上有微弱的不均衡。在引力不稳定性的作用下，暗物质晕的重力势阱中，气体辐射制冷而聚集，形成了星系。当气体冷却并向势阱底部聚集的时候，它能达到极高的温度和密度，从而形成恒星。反过来，恒星形成后又发生了一系列更为复杂的天体物理过程（比如星风、超新星爆发、活动星系核的强能量反馈），这些中心区域的过程主导了恒星乃至星系的演化。最初的星系质量可能仅占可用总重子物质质量的20%，但星系演化过程中的能量反馈剧烈地改变了重子物质分布，从而改变了暗物质晕的引力势。重子反馈过程直接影响了我们检测引力、粒子物理和宇宙学理论的可观测量。

图2 仙女星系（M31）的X射线波段成像

图片来源 Caltech

尽管在星系晕的核心高密度部分起主导作用的是重子物理学规律，在大尺度上主要还是引力主导，也就是星系晕在膨胀的宇宙中受到引力不稳定性和密度扰动的影响而发生变化。因此，引力在大尺度物质分布和星系形成的位置上起到主要的作用，也决定了宇宙的整体膨胀速度。

在标准宇宙模型（又称含宇宙学常数的冷暗物质模型，ΛCDM）中，引力由广义相对论和正的宇宙学常数刻画。而正的宇宙学常数解释了我们观测到的宇宙膨胀。尽管ΛCDM和现有的观测数据吻合，但由于宇宙常数超精细调节（完全是手动进行的，不知道更深层原因）的问题，它在理论上带来了几个未解的谜团。过去二十年来，为了回避上述的超精细调节，学者们提出了很多不同的理论场景，其中包括对引力理论进行修改，不过我们的修改理论在经典极限之下仍然要回到爱因斯坦的广义相对论。这种行为叫做“屏蔽机制”，为了精确描述这种行为，我们需要在进行高精度的结构形成模拟，以完全包含修正引力理论带来的非线性效应。和星系形成模拟类似，屏蔽机制中的强非线性也大幅增加了修正引力模拟的计算量。

图3 宇宙全景图

图片来源 ESA

很明显，在经过修正的引力理论中，我们所预测的星系宿主暗物质晕的势阱也随之改变。而当星系演化反作用于星系晕物质分布的时候，所显示出的可观测特征就会和修改之前的观测特征有所不同，因而是对于引力理论进行修改的结果。因此，引力作用和星系形成应该结合在一起研究，才能更好将它们纳入一致的理论框架，探究观测上可能存在的简并。然而在此之前，这类工作都受限于计算资源的不足。

Arnold及其合作者们第一次克服了这一障碍，在大型超级计算机上进行宇宙学模拟，结合了f(R)修正引力理论和最新的星系形成模型（IllustrisTNG）。这一进展还要归功于数值模拟方法的改进和代码的优化。

注：f(R) 修正引力理论: 把爱因斯坦广义相对论引力理论的作用量表达式中的里奇标量R替换为其函数f(R)的修正引力理论。

这项研究阐明了天体物理反馈过程可能压制f(R)引力理论中的一些可观测特征，抑制修正引力理论中结构的生长。（本来修正引力理论会使得结构形成变快，于是结构形成变快可以作为反映修正引力理论的一个可观测现象。

但是天体物理反馈过程会影响这样的变快过程，进而就抑制了这个修正引力理论的潜在表征——我们就不容易看到修正引力理论了。）作者从模拟中得到，小幅修正的引力理论在星系形成中的反馈作用与标准引力理论中反馈中庸效果相同，因此针对使用这类(小幅修正的)引力理论的星系形成模拟仍旧可以使用原先较快的标准模拟手段，将分别得到的星系形成模拟结果和非流体力学的引力模拟结果相结合。

但对于大幅修正的引力理论，修正引力理论和星系形成过程二者之间产生了复杂的交互，因而就有必要直接将二者一起进行模拟了。模拟结果还表明，在f(R)引力理论下，旋转的星系盘可以形成并保持稳定，即使只有其最外围的区域超出了引力屏蔽区使得修正理论产生了影响（详见图1）。

但是，如果对于爱因斯坦引力的修改足够显著的话，模拟中观测到的这种旋转稳定的星系数量就少了许多，这个结果可以反过来作为观测上对于修正引力理论的一个探究方式。（小编：也就是说，如果我们仍然能够在天上看到很多这种旋转稳定的星系的话，那么就在某种意义上不支持显著的修正引力理论）。

总而言之，Arnold和合作者开发出来的新数值技术对于修正引力理论的观测效应研究十分重要，使得我们可以在更大、更具有代表性的宇宙学体积中进行修正引力理论之下的高精度星系形成模拟。