Marked statistics across the cosmic web: Environmental dependent clustering in modified gravity simulations

想象一下，宇宙就像一张巨大的、无形的网，横跨整个宇宙空间，将一切紧紧维系在一起。几十年来，科学家们一直认为这张网是由一套被称为广义相对论的规则编织而成的，这套规则解释了引力是如何像一只温柔且无形的手，将物质吸引在一起的。但最近，一些线索表明，宇宙膨胀的速度比这些旧规则预测的要快，仿佛有一种无形的“暗能量”正在将其推开。为了解开这个谜团，一些科学家在想：如果引力本身的规则在物体变得非常大或非常空旷时会发生变化呢？这就是“修正引力”的世界——在这里，引力可能会在空旷的空间中变得稍微强一些，表现得像一种只有在宇宙邻里变得安静时才会显现的隐藏“第五种力”。

为了测试这一点，研究人员不仅观察恒星，还观察宇宙本身的形状。他们将宇宙网划分为四个截然不同的邻里：节点（即星系团聚集的繁忙城市中心）、纤维状结构（连接城市的漫长、线状高速公路）、墙（广阔且扁平的物质片层）以及空洞（存在于万物之间巨大的空旷沙漠）。一个核心问题是：如果引力确实拥有一种秘密的第五种力，我们会在哪里看到它的作用？它是在拥挤的城市中显现，还是会在空旷的沙漠中低语得最响亮？

本论文利用一个巨大的宇宙计算机模拟，对这个问题进行了深入探讨。作者华金·阿尔米霍（Joaquin Armjo）和卢卡斯·达·科斯塔（Lucas Da Costa）创建了一个遵循特定修正引力理论（称为 Hu-Sawicki $f(R)$ 模型）规则的数字宇宙，并将其与受标准引力支配的标准宇宙进行了对比。他们不仅仅是在计数星系；他们使用了一种聪明的统计工具，称为“标记相关函数”。你可以把这个工具想象成一种根据局部环境来衡量每一对星系“重量”的方法。这就像是在问：“生活在密集城市集群中的两个星系，其行为是否与生活在孤独空洞中的两个星系有所不同？”

团队发现，修正引力理论留下了一个非常独特的指纹。在他们的模拟中，“第五种力”使得引力在低密度区域变得更强，导致结构的形成方式与标准模型不同。然而，最令人惊讶的发现并不是空洞是唯一值得观察的地方。虽然论文证实了在极大的（线性）尺度上，空洞主导了信号，但研究显示，在结构正在积极形成的复杂非线性机制中，纤维状结构（宇宙高速公路）和节点（城市中心）实际上承载了关于这种新力量最多的信息。当研究人员将这两个特定环境的数据结合起来时，他们发现修正引力的信号比仅仅观察所有混合在一起的星系时强了四倍以上。

虽然空洞也显示出了一些变化，但研究表明，在非线性机制中探测这些引力微调的真正“证据”在于宇宙网中繁忙且相互连接的部分。他们使用一个宽 1536 Mpc $h^{-1}$ 的空间盒进行模拟，其中包含 2048$^3$ 个粒子，并针对类似于 CMASS 和 DESI 等真实世界巡天观测的星系样本进行了测试。他们发现，对于像 DESI 这样的巡天项目，专门观察纤维状结构和节点的结合，可以将探测这些引力偏差的能力比目前的方法提高四倍。

那么，这意味着什么？它表明，如果我们想要捕捉引力打破规则的瞬间，我们不应该仅仅盯着空旷的空洞或忽略繁忙的星系团。我们需要更加关注那些星系栖息的宇宙高速公路和繁忙集群，尤其是在分析宇宙网复杂的非线性部分时。通过将这些不同的邻里视为独立的线索而非一个混乱的整体，科学家们或许最终能够判断我们的引力理解是否完整，或者是否存在一种隐藏的第五种力，正等待在宇宙网的丝线中被发现。