打壓替代引力

眾所周知，愛因斯坦廣義相對論描述萬有引力，但一些試圖替代相對論的引力理論也聲稱其合理性。不過，依據中子星併合時發出的引力波和電磁波觀測，理論家們最近嚴格約束了這些替代引力。

廣義相對論(簡稱 GR)非常成功地描述萬有引力，覆蓋行星、恆星、黑洞、星系等若干層次。GR預言宇宙的膨脹，但也有個短板：如何解釋宇宙的加速膨脹。鑒於所有輻射、可見物質和暗物質等都施加向內「拽」的力，宇宙理應減速膨脹。為了解釋加速膨脹，物理學家不得不考慮三種可能(一般統稱「暗能量」)。第一種也是最簡單且受青睞的，認為非零的宇宙學常數或真空能(相當於提供負壓強)有效地抵抗引力。第二種推測宇宙學常數隨時間演變。第三種認為大尺度上引力的表現偏離 GR。針對第三種可能性，根據雙中子星併合時引力波和光波的觀測，最近有四個研究小組作出最嚴格的限制。

雙中子星併合引力波事件GW170817開啟了多信使天文學的新時代。LIGO/Virgo 記錄引力波後不到兩秒，費米衛星就在同一天區探測到短伽馬射線暴。全球望遠鏡的後續觀測證實引力波和伽馬射線暴都起源星系 NGC 4993(距離約 1.3億光年)內一對中子星的併合。這兩種輻射傳播如此遠距離後相隔幾秒鐘到達地球，意味著它們的傳播速度差在10-15之內。以前觀測上限制引力波和光波的速度差在五分之一的水平，所以這次改進了14個數量級。

GW170817 是如何嚴格檢驗替代引力理論的呢？ GR 是最簡單的，僅涉及一種動力場，其零質量激發就是以光速傳播的引力波。超出 GR 的理論往往通過引入新的動力學場來實現。簡單而常用的方式是引入時空依賴的輕標量場 ? ，並跟 引 力 場 耦 合 。 它 們 一 般 基 於Horndeski理論的拓展。這類理論可允許引力波與標量場「混合」，從而改變引力波的傳播速度。簡而言之，引力波好似在特殊「介質」中傳播(見圖)。為了解釋宇宙的加速膨脹，要求存在非零、時間依賴的標量場 ?(t)。假設該標量場在百億年的哈勃時標上演化，這將導致 10%以上引力波速度的改變 。 在此框架內，四個研究小組根據幾乎相同的引力波和電磁波速度排除了若干這類引力理論。

最近觀測到的 1.3億光年外雙中子星的併合過程，發現引力波和光波相差2秒內到達，表明這兩種本質不同的波傳播速度差不超過 10-15倍光速。這一發現嚴格限制了一些替代引力理論(它們為解釋宇宙的加速膨脹而引入引力場跟時間依賴標量場 ?(t) 之間的耦合)。這些理論要求引力波(橙色)的傳播速度跟光波(淺藍色)顯著不同

特別地，這些論文嚴格地約束了所謂的協變伽利略模型。該模型有 4 個自由參數，不需要藉助宇宙學常數來解釋加速膨脹。但是，將模型跟 GW170817 觀測對比，三個研究組均發現其中兩個參數幾乎為零。他們的結果無疑敲響了協變伽利略的喪鐘。儘管還可以通過調節另外兩個參數以得到加速膨脹的宇宙，但這兩個參數值跟一些其他宇宙學觀測結果不吻合(如星系分布和宇宙微波背景之間的相關性)。事實上，另一個組也利用 GW170817 和其他天文觀測排除了協變伽利略的某個子類。

此外，Baker等發現 GW170817也嚴格約束了矢量場跟引力場耦合的暗能量模型。同樣，也有人利用GW170817 否定了一些「模擬暗物質」模型(認為不存在暗物質但也試圖解釋星系和其他天體的動力學行為)。有趣的是，GW170817 為暗物質影響引力波提供了獨立的確鑿證據：暗物質引力導致的透鏡效應使得中子星併合發出的光信號推遲幾年到達地球，而觀測表明引力波必須經歷相同的延遲！

總之，GW170817 深化了我們對暗能量的認識，排除了涉及引力場和標量場耦合的相當一部分參數空間。引力波窗口只是開了一半，未來可望探測到更多的類似 GW170817的事件，從而讓我們深入理解萬有引力和宇宙加速膨脹的本質。

(北京大學 徐仁新 編譯自 Fabian Schmidt. Physics，December 18，2017)

本文選自《物理》2018年第2期

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