Testing Gravity with DESI DR2 and Strong-Lensing Time Delays
本文利用包括 DESI DR2 和强引力透镜时间延迟在内的综合数据集对两种 引力模型进行了约束，发现平方根指数模型在解释无需宇宙学常数的宇宙晚期加速膨胀方面优于标准的 CDM 模型。
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几十年来，我们关于宇宙运作方式最成功的叙述，是建立在一个简单却又神秘的前提之上的。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论将引力描述为时空结构中的一种曲率，而非将物体拉在一起的一种力，就像一个重球沉入蹦床一样。这一理论经受住了从星光弯曲到黑洞存在的每一次测试。然而，在20世纪90年代末，天文学家发现了一些该理论本身无法解释的现象：宇宙不仅在膨胀，而且这种膨胀正在加速。为了使数学计算成立，标准宇宙学模型不得不发明了一种名为“暗能量”的新成分（通常由宇宙学常数表示）来推动宇宙分离。然而，这个解决方案也带来了自身的难题，包括关于为什么这种推力存在，以及为什么它在今天表现出如此精确强度的深刻谜题。
由于这些悬而未决的问题，科学家们开始寻找替代方案。与其在宇宙的“汤”中添加一种神秘的新成分，他们转而询问：引力本身的“配方”是否可能与爱因斯坦所写的略有不同？一个充满前景的方向涉及一种几何描述的引力，它将熟悉的“弯曲空间”概念替换为一种被称为“非度规性”（non-metricity）的概念。在这种观点下，引力源于测量距离和时间的方式在各点之间如何变化，而不是源于空间的弯曲。这种被称为“对称挠率张量引力”（symmetric teleparallel gravity）的方法，为编写宇宙方程提供了一种全新的方式。通过微调这些方程，研究人员可以创建出能够解释加速膨胀的模型，而无需发明一个宇宙学常数。
在最近的一项研究中，一个研究小组将两种特定版本的这种新引力理论，与当今最精确的宇宙测量数据进行了对比测试。他们专注于两种数学形式：一种遵循简单的幂律模式，另一种则使用平方根指数形状。为了观察哪种模型（如果存在的话）更符合现实，他们收集了来自真实宇宙的海量数据。这包括通过观测古老星系的老化程度来获取的宇宙在不同时期膨胀速度的测量值；冻结在星系分布中的声波规律性模式；由大质量星系引起的遥远类星体光线的时间延迟；以及数千颗被称为Ia型超新星的爆炸恒星的亮度。这些超新星充当了“宇宙里程碑”，使天文学家能够高精度地测量跨越数十亿光年的距离。
研究人员使用了强大的统计工具，来观察他们的这种新引力模型与标准模型相比，对这些海量数据的拟合程度如何。他们发现，第一种模型（即幂律版本）的表现与标准理论几乎完全一致。它同样可以很好地描述宇宙的历史，但并没有提供足以证明其额外复杂性具有合理性的明显优势。然而，第二种模型则讲述了一个不同的故事。当研究人员结合了宇宙膨胀历史、星系声波、时间延迟光线以及被称为Pantheon+和Union 3.0的超新星目录的数据时，平方根指数模型提供的拟合效果显著优于标准理论。它更紧密地契合了观测结果，且这种改进足以抵消增加方程参数所带来的惩罚。
这一结果表明，宇宙之所以加速，可能不是因为某种神秘的常数在推动它，而是因为引力的基本规则具有与爱因斯坦所提议的略微不同的形状。平方根指数模型脱颖而出，成为一个特别强力的候选者，对于他们测试的几种数据组合，它都提供了更准确的描述。然而，故事尚未尘埃落定。当团队使用另一组被称为DES Y5的超新星数据时，标准模型重新占据了上风，这表明答案可能取决于哪些特定的观测结果被赋予了更高的权重。尽管存在这种细微差别，该研究仍证明，一种修正版的引力可以成功解释加速膨胀的宇宙，而无需需要一个宇宙学常数。
研究人员还观察了宇宙历史中的一个关键时刻：即宇宙停止在自身引力作用下减速并开始加速的转折点。他们的两种新模型都预测，这一转变发生在宇宙红移约为0.66至0.69的阶段，这一数值与我们在标准模型中看到的以及其他独立观测结果完美吻合。这种一致性至关重要；这意味着，即使底层的引力理论有所不同，宇宙演化的时间线仍然与我们所观察到的情况保持一致。研究结论指出，虽然标准模型仍然是对宇宙的稳健描述，但平方根指数形式的修正引力为解释宇宙晚期加速提供了一个极具吸引力且在统计学上更优越的替代方案。它是一个可行的前进路径，暗示着宇宙膨胀的秘密可能不在于一种隐藏的能量，而在于对空间几何本身更深层次的理解。
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