重力最为人所知的是将物体拉向地球的力量，但它的作用远不止于掉落的苹果。在宇宙中，重力作为一种无形的框架，影响着星系、星系团以及最大的宇宙结构的形成和演变。然而，几十年来，天文学家面临一些观察结果似乎与可见物体的不符。一些星星和星系的运动速度远远超出其可见质量所能解释的范围。这一谜团使得宇宙学家如宾夕法尼亚大学的研究人员帕特里西奥·A·加拉多开始探讨艾萨克·牛顿和阿尔伯特·爱因斯坦建立的重力定律是否在整个宇宙中都有效。加拉多说：“天体物理学一直受到宇宙账本巨大差异的困扰。当我们观察星星在星系中的轨道，或星系在星系团中的运动时，有些的速度似乎远远超过了它们所包含的可见物质。”根据加拉多的说法，这一差异指向两种截然不同的可能性：宇宙中可能包含大量看不见的“暗物质”，其重力提供了额外的吸引力，或者“重力的基本方程需要被修订”。 在前所未有的宇宙尺度上测试重力 加拉多及其合作者现在利用阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）的观测结果对重力进行了异常大规模的测试，这个望远镜大约有三到四层楼高，主要由宾夕法尼亚大学的研究人员马克·德夫林主导开发。该团队检查了分隔数亿光年的星系团间的重力，使这成为迄今为止进行的最大规模的重力测试。发布在《物理评论快报》上的结果显示，重力的强度随着距离的增加几乎完全按照牛顿方程和后来的爱因斯坦广义相对论所预测的方式减弱。加拉多说：“逆平方律——牛顿在17世纪提出并被爱因斯坦广义相对论所纳入的定律——在21世纪依然坚守着。”这一发现支持了现代宇宙学的一个基础理论。加拉多表示，证明既定的重力理论在巨大的距离上依然有效加强了宇宙学的标准模型。这也严格限制了一类替代理论，包括改良牛顿动力学（MOND），这些理论试图通过改变重力法则来解释不寻常的宇宙运动。牛顿最初发展了逆平方关系来描述太阳系中的运动。该原理表明，重力强度随着两个物体之间距离的平方而减小。加拉多说，科学家们现在已经用“在牛顿时代无法想象的”质量和距离来测试这一关系。 星系为何移动得如此之快 宇宙中有超过2000亿个星系，它们的运动长久以来给天文学家带来了重大难题。在一个简单的牛顿模型中，离星系中心越远的星星应该移动得越慢。但观察结果显示情况截然不同。星系外围区域的星星运动速度远远超过其可见质量所能提供的重力支持。在星系团中也出现了类似的问题。整个星系在这些巨大结构中以无法仅通过其观测质量解释的速度移动。加拉多解释说：“这就是中心难题。要么重力在非常大的尺度上表现得不同，要么宇宙中存在我们无法直接看到的额外物质。” 古老的光提供了重力的测试 为了调查哪个解释更符合证据，研究人员分析了ACT对宇宙微波背景（CMB）的观测。这种古老的光在大爆炸后约38万年释放，并从那时起便在宇宙中旅行。当CMB光穿过巨大的星系团时，这些星系团的运动会产生微小的光变化。天文学家可以探测到这些微弱的特征，并利用这些特征研究星系团的运动。通过检查数十万的星系团间隔几千万光年的这些效应，研究人员能够确定重力在宇宙一些最大的结构上作用的强度。如果像MOND这样的改良重力模型提供了正确的解释，那么测量结果应该显示重力随着距离更渐进地减弱。然而，团队发现的并非如此。相反，测量结果几乎完全位于牛顿理论和爱因斯坦理论一致的区域。由于重力的表现如同预期，因此改变重力法则并没有解释这些观察所揭示的缺失质量。因此，该结果进一步加强了暗物质在宇宙中扮演重要角色的论据。