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突破修正引力的屏障
文章來源：Nature Astronomy volume 3, pages: 887–888 (2019)
原作：Marco Baldi
翻譯：艾宇熙
校對：牧夫天文校對組
編排：王璞
後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦
理論天體物理中的一個高難度挑戰是，理解並模擬星系形成過程中發生的複雜多層次物理學和天體物理學過程。另一方面，宇宙加速膨脹的謎題尚未解決，而這對我們理解基本物理規律至關重要，特別是宇宙學尺度上的愛因斯坦廣義相對論。因此，很多研究致力於拓展引力理論以更好描述宇宙膨脹等現象。在最近的《自然·天文學》期刊中，Christian Arnold及其合作者發表了一篇論文，通過超級計算機模擬，研究各種修正引力理論對星系形成的影響。他們成功將獨立提出的星系形成模型和獨立提出的引力理論結合，建立起二者之間的聯繫。在此之前，對於星系形成的模擬和對引力理論的模擬往往是分別研究的，它們都需要很大的計算資源，因此很難把二者匯入同一理論框架。此外二者的效果從觀測上也混在一起，這也使得我們難以將其同時研究清楚。
圖 1：Arnold以及合作者的模擬中給出的圖。描述了一個由於旋轉而穩定存在的星系中，一個截面中氣體的密度。
圖中的顏色對應著f(R)修正引力理論對於氣體的影響程度。黃色區域表示影響程度最大的區域（接近1.3），而黑色區域表示由於屏蔽效應而無影響的區域，也就是此時我們又回到了修改之前的愛因斯坦理論。
宇宙大爆炸之後，宇宙暴漲階段產生了原初密度擾動，導致物質分布在空間上有微弱的不均衡。在引力不穩定性的作用下，暗物質暈的重力勢阱中，氣體輻射製冷而聚集，形成了星系。當氣體冷卻並向勢阱底部聚集的時候，它能達到極高的溫度和密度，從而形成恆星。反過來，恆星形成後又發生了一系列更為複雜的天體物理過程（比如星風、超新星爆發、活動星系核的強能量反饋），這些中心區域的過程主導了恆星乃至星系的演化。最初的星系質量可能僅佔可用總重子物質質量的20%，但星系演化過程中的能量反饋劇烈地改變了重子物質分布，從而改變了暗物質暈的引力勢。重子反饋過程直接影響了我們檢測引力、粒子物理和宇宙學理論的可觀測量。
圖2 仙女星系（M31）的X射線波段成像
圖片來源 Caltech
儘管在星系暈的核心高密度部分起主導作用的是重子物理學規律，在大尺度上主要還是引力主導，也就是星系暈在膨脹的宇宙中受到引力不穩定性和密度擾動的影響而發生變化。因此，引力在大尺度物質分布和星系形成的位置上起到主要的作用，也決定了宇宙的整體膨脹速度。
在標準宇宙模型（又稱含宇宙學常數的冷暗物質模型，ΛCDM）中，引力由廣義相對論和正的宇宙學常數刻畫。而正的宇宙學常數解釋了我們觀測到的宇宙膨脹。儘管ΛCDM和現有的觀測數據吻合，但由於宇宙常數超精細調節（完全是手動進行的，不知道更深層原因）的問題，它在理論上帶來了幾個未解的謎團。過去二十年來，為了迴避上述的超精細調節，學者們提出了很多不同的理論場景，其中包括對引力理論進行修改，不過我們的修改理論在經典極限之下仍然要回到愛因斯坦的廣義相對論。這種行為叫做「屏蔽機制」，為了精確描述這種行為，我們需要在進行高精度的結構形成模擬，以完全包含修正引力理論帶來的非線性效應。和星系形成模擬類似，屏蔽機制中的強非線性也大幅增加了修正引力模擬的計算量。
圖3 宇宙全景圖
圖片來源 ESA
很明顯，在經過修正的引力理論中，我們所預測的星系宿主暗物質暈的勢阱也隨之改變。而當星系演化反作用於星系暈物質分布的時候，所顯示出的可觀測特徵就會和修改之前的觀測特徵有所不同，因而是對於引力理論進行修改的結果。因此，引力作用和星系形成應該結合在一起研究，才能更好將它們納入一致的理論框架，探究觀測上可能存在的簡併。然而在此之前，這類工作都受限於計算資源的不足。
Arnold及其合作者們第一次克服了這一障礙，在大型超級計算機上進行宇宙學模擬，結合了f(R)修正引力理論和最新的星系形成模型（IllustrisTNG）。這一進展還要歸功於數值模擬方法的改進和代碼的優化。
註：f(R) 修正引力理論: 把愛因斯坦廣義相對論引力理論的作用量表達式中的裡奇標量R替換為其函數f(R)的修正引力理論。
這項研究闡明了天體物理反饋過程可能壓制f(R)引力理論中的一些可觀測特徵，抑制修正引力理論中結構的生長。（本來修正引力理論會使得結構形成變快，於是結構形成變快可以作為反映修正引力理論的一個可觀測現象。但是天體物理反饋過程會影響這樣的變快過程，進而就抑制了這個修正引力理論的潛在表徵——我們就不容易看到修正引力理論了。）作者從模擬中得到，小幅修正的引力理論在星系形成中的反饋作用與標準引力理論中反饋中庸效果相同，因此針對使用這類(小幅修正的)引力理論的星系形成模擬仍舊可以使用原先較快的標準模擬手段，將分別得到的星系形成模擬結果和非流體力學的引力模擬結果相結合。但對於大幅修正的引力理論，修正引力理論和星系形成過程二者之間產生了複雜的交互，因而就有必要直接將二者一起進行模擬了。模擬結果還表明，在f(R)引力理論下，旋轉的星系盤可以形成並保持穩定，即使只有其最外圍的區域超出了引力屏蔽區使得修正理論產生了影響（詳見圖1）。但是，如果對於愛因斯坦引力的修改足夠顯著的話，模擬中觀測到的這種旋轉穩定的星係數量就少了許多，這個結果可以反過來作為觀測上對於修正引力理論的一個探究方式。（小編：也就是說，如果我們仍然能夠在天上看到很多這種旋轉穩定的星系的話，那麼就在某種意義上不支持顯著的修正引力理論）。
總而言之，Arnold和合作者開發出來的新數值技術對於修正引力理論的觀測效應研究十分重要，使得我們可以在更大、更具有代表性的宇宙學體積中進行修正引力理論之下的高精度星系形成模擬。
責任編輯：艾宇熙
牧夫新媒體編輯部
『天文溼刻』 牧夫出品
天文系統中的引力分布
圖片來源 X. Hernández
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