引力，是已知四種基本力中最弱的一種力，在宇宙的演化過程中扮演著至關(guān)重要的角色。正是由于引力的作用，早期宇宙中的物質(zhì)才可以聚集在一起，形成今天我們看到的星系、恒星以及行星（比如地球）。

但究竟什么是引力？根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，引力實際上是大質(zhì)量物體扭曲時空結(jié)構(gòu)的結(jié)果。這就意味著，由于大質(zhì)量天體會彎曲時空，那么當(dāng)光線經(jīng)過該天體附近時就會發(fā)生偏折，而不沿直線傳播。1919年，愛丁頓（Arthur Eddington）通過對日食的觀測驗證了這一想法，這是廣義相對論的第一個觀測證據(jù)。

自1915年廣義相對論被提出以來，它已經(jīng)在太陽系中被非常嚴(yán)格的檢驗過了。但是，要想在單個星系那樣的尺度上精確地驗證廣義相對論卻是非常困難的?，F(xiàn)在，一項發(fā)表在《科學(xué)》雜志的最新研究表明，廣義相對論同樣適用于整個星系范圍的尺度。此次的新發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化了宇宙學(xué)中的一個流行觀點，即95％的宇宙都是由暗物質(zhì)和暗能量組成的，這也就排除了幾個與之競爭的其他理論。

那么，研究人員是如何在星系尺度上檢驗愛因斯坦的理論呢？

上面我們提到了光線經(jīng)過恒星的時候會發(fā)生偏折，而比恒星更大的天體，比如星系、類星體或星系團(tuán)，引力不僅僅會偏折光線，還能表現(xiàn)的像透鏡一樣，這種現(xiàn)象被稱為“引力透鏡效應(yīng)”。

此次天文學(xué)家所觀測的目標(biāo)星系是距離地球4.5億光年的ESO 325-G004星系（簡稱為E325），我們將該星系稱為“前景星系”（充當(dāng)透鏡）。E325正好處于地球和另一個更遙遠(yuǎn)的星系（即背景星系）之間。當(dāng)這兩個星系完美對齊時，那么從背景星系發(fā)出的光線會在前景星系周圍的彎曲時空中偏折，因此我們會看到背景星系的多重圖像。下圖所顯示的正是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測到的這一效應(yīng)，我們可以看到它形成了一個所謂的“愛因斯坦環(huán)”。從該環(huán)的大小，我們就能推斷出在E325周圍的空間曲率有多大，進(jìn)而計算出星系的質(zhì)量。

此外，研究人員也通過觀測恒星在E325星系中的移動速度，測量了E325的質(zhì)量。與地球繞著太陽運(yùn)行類似，E325中的恒星圍繞著星系的質(zhì)心轉(zhuǎn)動，引力將它們維持在軌道中。星系中的質(zhì)量越大意味著引力越強(qiáng)，所以恒星的運(yùn)動速度也就越快。

為了測量它們的速度，研究人員運(yùn)用了“多普勒效應(yīng)”，這是一種由于運(yùn)動引起的波的拉伸或擠壓。例如公路上的雷達(dá)測速攝像頭就是利用多普勒效應(yīng)，通過檢測從車輛反射回的無線電波的頻率變化來測量車速。以相似的方式，研究人員測量了從恒星發(fā)出的光線頻率變化，從而估算出它們的速度。朝向我們移動的恒星所發(fā)出的光線會略微偏移至藍(lán)光波段（藍(lán)移），而遠(yuǎn)離我們的恒星所發(fā)出的光則會偏至紅光波段（紅移）。它們移動得越快，藍(lán)移或紅移也越嚴(yán)重。

但是E325距離我們實在太遙遠(yuǎn)了，因此研究人員無法測量單個恒星的多普勒效應(yīng)。他們測量了一片區(qū)域里的恒星所發(fā)出的光線，再通過統(tǒng)計方法對不同恒星的速度進(jìn)行估算。這些觀測數(shù)據(jù)是通過智利的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）探測到的。