修正牛顿力学：第九行星搜寻是否揭示了新的万有引力定律？

修正牛顿力学：第九行星搜寻是否揭示了新的万有引力定律？柯伊伯带天体（KBO）的艺术家印象图，该天体位于太阳系外缘，与太阳的距离达到惊人的40亿英里。图片来源：NASA、ESA和G.Bacon（STScI）凯斯西储大学（CaseWesternReserveUniversity）物理学教授哈什-马瑟（HarshMathur）和汉密尔顿学院（HamiltonCollege）物理学副教授凯瑟琳-布朗（KatherineBrown）在研究了银河系对外太阳系天体的影响后提出了这一论断--如果万有引力定律受一种被称为修正牛顿动力学（ModifiedNewtonianDynamics，简称MOND）的理论支配的话。哈什-马瑟资料来源：凯斯西储大学MOND提出，艾萨克-牛顿著名的万有引力定律在一定程度上是有效的。也就是说，当牛顿定律所预测的重力加速度变得足够小时，MOND允许不同的重力行为取而代之。MOND在星系尺度上的成功观测是一些科学家认为它可以替代"暗物质"的原因。"暗物质"是物理学家用来描述一种假想的物质形式，它具有引力效应，但不发射任何光。马图尔说："MOND确实能很好地解释银河系尺度的观测结果，但我没想到它会对外太阳系产生明显的影响。"他们的研究成果最近发表在《天文学报》上。马瑟尔和布朗以前研究过MOND对星系动力学的影响。但在天文学家于2016年宣布外太阳系的一些天体出现了轨道异常，可以用第九行星来解释之后，他们开始对MOND的局部效应产生了兴趣。轨道异常曾带来历史性的发现：海王星是通过其对附近天体轨道的引力牵引而被发现的，水星的微小前冲为支持爱因斯坦的广义相对论提供了早期证据，天文学家最近利用轨道动力学推断出银河系中心存在一个超大质量黑洞。布朗意识到MOND的预测可能与观测结果不符，而观测结果正是寻找第九行星的动力。她说："我们想知道支持第九行星假说的数据是否会有效地排除MOND。"凯瑟琳-布朗资料来源：汉密尔顿学院相反，马瑟尔和布朗发现，MOND恰恰预测了天文学家观测到的聚类现象。他们认为，在数百万年的时间里，外太阳系中一些天体的轨道会被银河系自身的引力场拖向一致。马瑟尔说："当他们将九号行星数据集中的天体轨道与银河系自身的引力场进行对比时，发现两者的吻合度非常惊人。"作者提醒说，目前的数据集还很小，任何其他可能性都可能被证明是正确的；例如，其他天文学家认为轨道的特殊性是观测偏差的结果。"无论结果如何，"布朗说，"这项工作凸显了外太阳系作为测试引力和研究物理学基本问题的实验室的潜力。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388615.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388615.htm

天体物理学家测量物质、暗物质和暗能量的总量

天体物理学家测量物质、暗物质和暗能量的总量第一作者、日本千叶大学埃及国家天文和地球物理研究所研究员穆罕默德-阿卜杜拉博士解释说："宇宙学家认为，总物质中只有约20%是由常规物质或'重子'物质构成的，其中包括恒星、星系、原子和生命。"大约80%是由暗物质构成的，暗物质的神秘性质尚不清楚，但可能由一些尚未发现的亚原子粒子组成。(见图）。""研究小组使用了一种行之有效的技术来确定宇宙中的物质总量，即把观测到的单位体积内星系团的数量和质量与数值模拟的预测结果进行比较，"合著者、阿卜杜拉的前研究生导师、加州大学默塞德分校物理学教授兼研究、创新和经济发展副校长吉莉安-威尔逊（GillianWilson）说。"目前观测到的星团数量，也就是所谓的'星团丰度'，对宇宙学条件，尤其是物质总量非常敏感"。图1.就像"金发姑娘"一样，研究小组将测量到的星系团数量与数值模拟的预测进行比较，以确定哪个答案"恰到好处"。资料来源：穆罕默德-阿卜杜拉（埃及国家天文和地球物理研究所/日本千叶大学）弗吉尼亚大学的阿纳托利-克莱平（AnatolyKlypin）说："宇宙中总物质的比例越高，就会形成越多的星团。但要精确测量任何星系团的质量都很困难，因为大部分物质都是暗物质，我们无法用望远镜直接看到。"为了克服这一困难，研究小组不得不使用一种间接的星系团质量追踪器。他们所依赖的事实是，质量较大的星团比质量较小的星团包含更多的星系（质量富集度关系：MRR）。由于星系由发光的恒星组成，因此可以利用每个星团中星系的数量来间接确定其总质量。通过测量斯隆数字巡天观测样本中每个星团的星系数量，研究小组能够估算出每个星团的总质量。然后，他们将观测到的单位体积星系团的数量和质量与数值模拟的预测值进行了比较。观测结果与模拟结果的最佳拟合值是宇宙由31%的总物质组成，这一数值与普朗克卫星的宇宙微波背景（CMB）观测结果非常吻合。值得注意的是，CMB是一种完全独立的技术。验证与技术千叶大学的石山智明（TomoakiIshiyama）说："我们首次利用MRR成功地测量了物质密度，这与普朗克团队利用CMB方法获得的结果非常吻合。这项工作进一步证明，星团丰度是约束宇宙学参数的一项有竞争力的技术，也是对CMB各向异性、重子声振荡、Ia型超新星或引力透镜等非星团技术的补充。"研究小组认为，他们的成果是首次成功利用光谱学（将辐射分离成各个波段或颜色的光谱的技术）来精确确定每个星团的距离，以及与星团有引力约束的真正成员星系，而不是视线沿线的背景或前景干扰者。以前尝试使用MRR技术的研究则依赖于粗糙得多和精确度较低的成像技术，例如使用在某些波长下拍摄的天空照片，来确定每个星团和附近真正成员星系的距离。结论和未来应用这篇发表在9月13日《天体物理学报》上的论文不仅证明了MRR技术是确定宇宙学参数的强大工具，而且还解释了如何将它应用于大型、宽视场和深视场成像以及光谱星系巡天（如斯巴鲁望远镜、暗能量巡天、暗能量光谱仪、欧几里得望远镜、eROSITA望远镜和詹姆斯-韦伯太空望远镜等进行的巡天）所获得的新数据集。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385143.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385143.htm

物理学家建造了一个量子“热泵”来检测暗物质

物理学家建造了一个量子“热泵”来检测暗物质荷兰代尔夫特理工大学的物理学家已经建造了一个由光粒子制成的量子规模的“热泵”。这个装置使科学家们更接近测量无线电频率信号的量子极限，这在寻找暗物质的过程中非常有用。如果你把两个不同温度的物体放在一起，比如把一瓶热的白葡萄酒放入一个冷的冰袋中，热量通常会朝一个方向流动，从热的（酒）流向冷的（冰袋）。如果你等待的时间足够长，两者都会达到相同的温度。这是一个在物理学中被称为达到平衡的过程：热流的一个方向和另一个方向之间的平衡。如果你愿意做一些工作，你可以打破这种平衡，使热量以"错误"的方式流动。这就是你的冰箱用来保持食物低温的原理，也是高效热泵的原理，它可以从外面的冷空气中获取热量来温暖你的房子。在他们的新研究中，GarySteele和他的同事展示了一个“热泵”的量子类似物，使光的基本量子粒子，即光子，从一个热物体“逆流”到一个冷物体。这项研究由来自代尔夫特理工大学、苏黎世联邦理工学院和图宾根大学的物理学家们进行。他们的工作于8月26日作为一篇开放性文章发表在《科学进展》杂志上。暗物质信号尽管物理学家们在之前的研究中已经将他们的设备用作热射频光子的“冷水浴”，但他们现在已经设法同时将其变成了一个“放大器”。有了内置的“放大器”，该装置对射频信号更加敏感。这就像从超导量子处理器出来的放大的微波信号所发生的一样。“这非常令人兴奋，因为我们可以更接近测量射频信号的量子极限，这些频率在其他方面很难测量。这种新的测量工具可能有很多应用，其中之一是寻找暗物质，”Steele说。该装置被称为光子压力电路，由冷却到只比绝对零度高几毫度的硅芯片上的超导电感和电容构成。虽然这听起来温度很低，但对于电路中的一些光子来说，这个温度是非常热的，它们被激发出热能。利用光子压力，科学家们可以将这些被激发的光子与更高频率的冷光子耦合，在以前的实验中，这使得他们能够将热光子冷却到其量子基态。在这项新工作中，物理学家们增加了一个新的转折点：通过向冷电路发送一个额外的信号，他们能够创造一个“马达”，放大冷光子并将其加热。同时，额外的信号将光子优先“泵送”到两个电路之间的一个方向。通过在一个方向比另一个方向更用力地推动光子，研究人员能够将电路的一部分的光子冷却到比另一部分更冷的温度，为超导电路中的光子创造一个量子版的“热泵”。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1309247.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1309247.htm

在完成新的银河系旋转测量之后 修正引力成为暗物质的主要解释

在完成新的银河系旋转测量之后修正引力成为暗物质的主要解释MoND的想法是受银河系旋转的启发。一个星系中的大部分可见物质都聚集在中间，所以人们会想到，靠近中心的恒星会比远离中心的恒星有更快的轨道速度，类似于我们太阳系的行星。科学家已经观察到，一个星系中的恒星都以差不多的速度旋转。旋转曲线基本上是平坦而不是逐渐下降的。暗物质的解决方案是星系被看不见的物质的光环所包围，但在1983年，莫德海-米尔格罗姆认为我们的引力模型一定是错误的。典型螺旋星系M33的旋转曲线（黄色和蓝色的点，带误差条）和根据可见物质的分布预测的曲线（白线）。两条曲线之间的差异是通过在星系周围增加一个暗物质晕来解释的。在星际距离上，恒星之间的引力吸引力基本上适用于牛顿理论。因此，米格罗姆没有修改广义相对论，而是提议修改牛顿的万有引力定律。他认为，与其说吸引力是一个纯粹的平方反比关系，不如说无论距离远近，引力都有一个小小的残余拉力。这个残余力只有大约10万亿分之一吉，但它足以解释银河系的旋转曲线。当然，仅仅在牛顿的引力中加入一个小项，就意味着你也必须修改爱因斯坦的方程式。所以MoND已经被以各种方式概括了，比如AQUAL，它代表了AQuadradicLagrangian。AQUAL和标准的LCDM模型都可以解释观察到的银河系旋转曲线，但有一些微妙的区别。测量的内外恒星运动之间的转变。资料来源：Kyu-HyunChae这就是最近一项研究的意义所在。AQUAL和LCDM之间的一个区别在于内轨道恒星与外轨道恒星的旋转速度。对于LCDM来说，两者都应该受物质分布的制约，所以曲线应该是平滑的。AQUAL预测，由于理论的动态作用，曲线上有一个微小的弯曲。它太小了，无法在一个星系中测量，但是从统计学上看，在内部和外部的速度分布之间应该有一个小的转变。因此，这篇论文的作者研究了斯皮策测光和精确旋转曲线（SPARC）数据库中观察到的152个星系的高分辨率速度曲线。他发现了一个与AQUAL一致的转变。这些数据似乎支持修正引力而不是标准暗物质宇宙学。这个结果令人振奋，但它并没有决定性地推翻暗物质。但AQUAL模型也有自己的问题，例如它与观察到的星系的引力透镜不一致，但这却是一个弱势理论的胜利。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1337069.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1337069.htm

新的研究对牛顿和爱因斯坦的引力理论提出了挑战

新的研究对牛顿和爱因斯坦的引力理论提出了挑战通过分析长周期双星的运动状况，科学家发现了牛顿和爱因斯坦的引力理论无法解释的现象。这个发现意味着，我们需要一种新的引力理论来描述宇宙的奥秘。其中最著名的修正牛顿动力学（MOND）理论认为，在低加速度下，引力会发生变化，导致不同于预期的效果。韩国世宗大学的天文学家蔡圭贤最近的表明，一些观测数据与MOND理论相符，这提供了迄今为止最直接和最有力的证据。表明在低加速度下，牛顿和爱因斯坦的引力理论会“崩溃”，需要用改进的引力理论来取代。这对于物理学和天文学的意义巨大，可能引发一个新的物理学革命。该研究发布在《天体物理学杂志》上。如果MOND被证实为正确，我们的宇宙认识将会发生根本性的变化，不再需要假设暗物质和暗能量的存在，而可以用一个更简单和更优美的理论来描述所有的引力现象。然而，这项研究还需要更多数据和分析来验证和改进，并且MOND理论本身也需要进一步发展和完善。——，

引力透镜以前所未有的细节揭示暗物质的细微结构

引力透镜以前所未有的细节揭示暗物质的细微结构透镜系统MGJ0414+0534中的暗物质波动。蓝白色代表ALMA观测到的引力透镜图像。暗物质的计算分布以橙色显示；较亮区域表示暗物质浓度较高，暗橙色区域表示浓度较低。资料来源：ALMA(ESO/NAOJ/NRAO),K.T.Inoueetal.新研究以前所未有的细节揭示了暗物质的分布，最小尺度为30000光年。观测到的分布波动为暗物质的性质提供了更好的约束。神秘的暗物质占宇宙物质的大部分。暗物质是不可见的，只有通过引力效应才能让人们知道它的存在。暗物质从未在实验室中被分离出来，因此研究人员必须依靠"自然实验"来研究它。引力透镜是自然实验的一种。有时，由于随机的机缘巧合，从地球上看，宇宙中距离不同的两个物体会位于同一条视线上。当这种情况发生时，前景天体周围的物质所造成的空间曲率就像透镜一样，使背景天体的光线路径发生弯曲，从而形成透镜图像。然而，在自然实验中很难达到探测质量小于星系的暗物质团块的高分辨率，因此暗物质的确切性质一直没有得到很好的证实。引力透镜系统MGJ0414+0534的概念图。与透镜星系相关的暗物质显示为淡蓝色和白色。星系际空间的暗物质用橙色表示。实线表示受引力弯曲的无线电波的实际路径。虚线表示透镜图像的明显观测位置。图片来源：NAOJ,K.T.Inoue由日本景代大学教授KaikiTaroInoue领导的日本研究小组利用ALMA（阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列）研究了金牛座方向上被称为MGJ0414+0534的引力透镜系统。在这个系统中，由于大质量星系对光线的引力作用，前景天体形成的背景天体图像不是一个，而是四个。借助弯曲效应和新的数据分析方法，研究小组能够以前所未有的高分辨率探测到暗物质沿视线分布的波动，最小尺度可达3万光年。家观测到的暗物质分布所提供的新约束条件与缓慢移动或"冷"暗物质粒子的模型是一致的。未来，研究小组计划通过更多的观测来进一步制约暗物质的性质。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397475.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397475.htm