新的DESI結果提供引力評估之檢驗

主要要點

• 對DESI第一年數據的複雜分析提供了對廣義相對論及引力在宇宙尺度上行為的最嚴格檢驗之一。

• 觀察星系及其隨時間的聚集方式顯示了宇宙結構的增長，這使得DESI能夠測試修改引力理論——這是一種解釋我們宇宙加速膨脹的替代理論。

• DESI的研究人員發現，星系的聚集方式與我們的標準引力模型及愛因斯坦的廣義相對論預測是一致的。

引力塑造了我們的宇宙。其吸引力將早期宇宙中微小的物質差異轉變為今天我們所見的廣袤星系紋理。利用來自暗能量光譜儀（DESI）的數據進行的新研究追蹤了過去110億年這一宇宙結構的增長，提供了迄今為止對引力在極大尺度下的最精確檢驗。

DESI是由來自全球70多個機構的900多名研究人員組成的國際合作，並由美國能源部的洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）管理。在他們的新研究中，DESI的研究人員發現，引力的行為與愛因斯坦的廣義相對論的預測相符。這一結果驗證了我們的宇宙主導模型並限制了可能的修改引力理論，這些理論被提出作為解釋意外觀測（包括通常歸因於暗能量的宇宙加速膨脹）的一種替代方式。

“廣義相對論在太陽系尺度上已經得到了非常好的驗證，但我們還需要檢驗我們的假設在更大尺度上的有效性，”法國國立科學研究中心（CNRS）的宇宙學家保琳·扎魯克（Pauline Zarrouk）說，她在核與高能物理實驗室（LPNHE）工作，並共同領導了這項新分析。“研究星系形成的速率使我們能夠直接測試我們的理論，到目前為止，我們的結果與廣義相對論在宇宙尺度上的預測一致。”

這項研究還提供了對中微子的質量的新上限，中微子是唯一尚未準確測量質量的基本粒子。之前的中微子實驗發現三種類型中微子的質量總和至少應為0.059 eV/c²。（作為比較，一個電子的質量約為511,000 eV/c²。）DESI的結果顯示，這個總和應該小於0.071 eV/c²，為中微子的質量留下了一個狹窄的範圍。

今天，DESI合作團隊在線上存儲庫arXiv上發佈了幾篇文章，分享了他們的結果。這項複雜的分析使用了近600萬個星系和類星體，允許研究人員回溯至110億年前。僅用一年數據，DESI就做出了結構增長的最精確整體測量，超越了之前需耗時數十年的努力。

今天的結果提供了對DESI第一年數據的擴展分析，這項分析在四月創建了截止目前最大的三維宇宙地圖，並揭示了暗能量可能隨時間演變的線索。四月的結果考察了一種稱為重子聲學振盪（BAO）的星系聚集特徵。新的分析稱為“全形分析”，擴大了範圍，以從數據中提取更多信息，測量星系和物質在整個空間中的不同尺度分佈。這項研究需要數月的額外工作和交叉檢查。和之前的研究一樣，這項研究使用了一種技術，在結果揭示之前將其隱藏，減少任何無意識的偏見。

“我們的BAO結果和全形分析都是壯觀的，”密歇根大學的教授、DESI解釋宇宙學數據的聯合領導者德拉甘·胡特雷（Dragan Huterer）表示。“這是DESI首次研究宇宙結構的增長。我們展示了探查修改引力和改善暗能量模型約束的巨大新能力。這僅僅是冰山一角。”

DESI是一個先進的儀器，可以同時捕捉來自5,000個星系的光。該儀器的建設和運營得到了美國能源部科學辦公室的資金支持。DESI安裝在美國國家科學基金會的尼古拉斯·U·梅雅爾（Nicholas U. Mayall）4米望遠鏡上，該望遠鏡位於基特峰國家天文台（Kitt Peak National Observatory，NSF NOIRLab的一個項目）。這項實驗目前正進行到第五年的調查，計畫在項目結束時收集大約4000萬個星系和類星體。

合作團隊目前正在分析收集到的前三年的數據，並預計在2025年春季呈現更新的暗能量和我們宇宙膨脹歷史的測量結果。今天發佈的DESI擴展結果與該實驗早期對於演變中的暗能量的偏好一致，這進一步增加了即將發佈分析的期待。

“暗物質約占宇宙的四分之一，而暗能量則占另一個70%，而我們對這兩者的了解卻非常有限，”在伯克利實驗室和加州大學伯克利分校的博士生馬克·莫斯（Mark Maus）說，他參與了新分析的理論和驗證建模流程。“我們能夠拍攝宇宙的圖像並解決這些重大、根本性問題的想法令人震驚。”

DESI得到了美國能源部科學辦公室和國家能源研究科學計算中心的支持，該中心是美國能源部科學辦公室的用戶設施。DESI還得到了美國國家科學基金會、英國科學與技術設施委員會、戈登與貝蒂·摩爾基金會、海辛-西蒙斯基金會、法國替代能源與核能委員會（CEA）、墨西哥人文、科學與技術國家委員會、西班牙科技與創新部，以及DESI成員機構的額外支持。

DESI合作團隊榮幸能夠在對托霍諾·奧奧德漢民族有特殊意義的伊奧利甘杜阿格（Kitt Peak）進行科學研究。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。