美國賓夕法尼亞大學研究團隊近日發佈最新研究，利用阿塔卡馬宇宙學望遠鏡，對相隔數億光年的星系團進行迄今範圍最廣的引力測量。結果顯示，在宇宙大尺度上，引力隨距離減弱的方式符合牛頓預測、後經愛因斯坦廣義相對論吸納的平方反比規律。這項結果為標準宇宙學模型提供新支持，進一步強化「暗物質真實存在」的證據鏈。 研究團隊指出，日常生活中引力現象看似直觀，例如蘋果落地、行星繞日運行，但在宇宙尺度上，引力起始仍是檢驗基礎物理理論最關鍵對象之一。
它決定了星系如何形成、星系團如何運作，也塑造整個宇宙的大尺度結構。然而，長久以來，天文學家在觀測中一直面臨難題：按可見物質的質量計算，許多恆星和星系的運作速度明顯過快，彷彿無法用現有可見物質產生的引力來解釋。
暗物質與引力定律之謎
論文作者之一、宇宙學家帕特里克·A·加利亞多表示，這一「宇宙帳本中的巨大差額」已困擾天體物理學界多年。無論是恆星在星系外圍的繞轉，這是星系在星系團中的運作，都顯示出外部天體的運行速度遠高於可見物質所允許的水準。面對此謎，科學界通常提出兩種解釋途徑：其一，宇宙中存在大量看不見的暗物質，為這些天體提供額外引力；其二，現有引力理論在大尺度上需要修正。 為檢驗研究猜測哪種解釋更接近事實，研究人員調用阿塔卡馬宇宙學望遠鏡數據。
該望遠鏡由賓夕法尼亞大學研究人員主導開發，是一座高約三至四層樓的觀測設備，主要用於測量宇宙微波背景輻射，也就是宇宙大爆炸遺留至今的微弱餘輝。研究團隊重點分析這種古老光線穿過巨大星系團時產生的微小變化，由此反推星系團彼時的運作狀態，並進一步測量大尺度上引力的實際作用強度。 宇宙微波背景輻射產生於大爆炸後約 38 萬年，充滿整個宇宙空間。當這些光線穿過含有熱氣體的星系團區域時，會因星系團的運作而產生極微弱但可測量的偏變。
研究人員正是透過分析這種信號，在跨越數千萬至數億光年的範圍內，對數十萬級別的星系團結構進行統計研究，以判斷引力是否仍按經典理論預言的方式隨距離遞減。 結果顯示，觀測數據與牛頓定律及愛因斯坦廣義相對論的預測高度一致。如果像「修正牛頓動力學」（MOND）那樣的替代理論是正確的，那麼引力在大尺度上的減弱模式應當偏離傳統理論預測；然而此次測量並未發現這種偏離。研究人員因此認為，至少在目前測試的宇宙尺度上，沒有證據表明需要透過修改引力定律來解釋觀測結果。
加利亞多表示，令 人驚訝的是，17 世紀由牛頓提出的平方反比定律，進入 21 世紀後仍能在如此宏大的宇宙尺度上站得住腳。牛頓當年推導這一規律時，關注的主要還是太陽系內部天體運作，而今天科學家已將這一原理解放到他那個時代難以想像的距離與質量尺度。 研究人員指出，這意味著「缺失質量」問題更難用「引力理論失效」來解釋，反而進一步支持宇宙中真實存在一種尚未被直接觀測到的物質成分，即暗物質。
換言之，如果引力本身並未在大尺度上表現出異常，那麼星系和星系團中額外產生的引力效應，就更可能來自不可見的質量來源，而非物理定律被改寫。 不過，研究同時強調，暗物質的真實本質仍是當代物理學最重要未解之謎之一。此次工作強化了「暗物質作為宇宙組成成分之一」的證據，但並不能回答它究竟由什麼構成。未來，隨著宇宙微波背景輻射觀測精度的進一步提升，以及更大規模星系巡天項目的持續推進，科學家有望對引力定律和暗物質問題作出更精確的檢驗。
這項研究論文標題為《利用運動學澤爾多維奇效應在宇宙學尺度上測試引力定律》，已於 2026 年 4 月 15 日發佈在《物理評論快報》上。研究由 P. A. Gallardo 等學者合作完成，項目背後還獲得美國國家科學基金會等機構支持。
