一項新研究首次證實了愛因斯坦在遙遠(yuǎn)星系中的廣義相對論。這項研究支持了我們目前對引力的理解，并為暗物質(zhì)和暗能量的存在提供了更多的證據(jù)——這兩個神秘的概念，科學(xué)家只能通過觀察它們對宇宙物體的影響間接了解。阿爾伯特·愛因斯坦1916年發(fā)表的廣義相對論解釋了引力是一個被稱為時空結(jié)構(gòu)的概念的結(jié)果。簡單地說，這個理論預(yù)測了一個物體的質(zhì)量（在這種情況下，一個星系）彎曲時空的程度。自從這個理論首次發(fā)表以來，它已經(jīng)在我們的太陽系里被多次測試。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕獲了來自LRG 3-757星系的引力透鏡。圖片：ESA/Hubble & NASA

這項由英國樸茨茅斯大學(xué)宇宙學(xué)與引力研究所的托馬斯·科利特領(lǐng)導(dǎo)的國際天文學(xué)家小組進(jìn)行的新研究研究人員說：這是第一次在天文范圍內(nèi)對廣義相對論進(jìn)行精確的測試。研究小組利用美國宇航局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和歐洲南部天文臺在智利的超大望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)引力在遙遠(yuǎn)的星系中的表現(xiàn)和在太陽系中的表現(xiàn)是一樣——正如愛因斯坦的理論所預(yù)測那樣。

佛羅里達(dá)Embry-Riddle航空大學(xué)的天文學(xué)家、物理學(xué)教授Terry Oswalt說：研究人員測試了這一假設(shè)，即“在地球上工作的物理定律在其他任何地方都是正確的”，“在所有可能的尺度上驗證廣義相對論(尤其是最大的尺度)，對整個物理學(xué)，尤其是宇宙學(xué)，都具有根本性的重要性。在驗證廣義相對論時，這些發(fā)現(xiàn)也為暗物質(zhì)和暗能量的存在提供了額外的證據(jù)，暗物質(zhì)和暗能量是宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中存在的兩個“奇怪的東西”。標(biāo)準(zhǔn)模型是一種理論，描述了宇宙中的基本力和粒子是如何相互作用和相互作用的，它旨在解釋我們的觀察和實驗。

然而，我們對暗物質(zhì)和暗能量的理解和解釋的缺乏，“今天宇宙學(xué)中最大的兩個謎團(tuán)”，導(dǎo)致了一些人對標(biāo)準(zhǔn)模型的質(zhì)疑。天文學(xué)家是否會很快放棄宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，因此，研究人員沒有放棄標(biāo)準(zhǔn)模型，而是希望“使模型更精確地解釋觀察到的數(shù)據(jù)。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，需要暗物質(zhì)來解釋恒星環(huán)繞星系的速度，需要暗能量來解釋宇宙為什么膨脹得更快。一些科學(xué)家已經(jīng)提出“替代引力理論”，可以在標(biāo)準(zhǔn)模型中消除對暗物質(zhì)和暗能量的需求。

暗物質(zhì)似乎以一種網(wǎng)狀的模式在宇宙中擴(kuò)散，在纖維相交的節(jié)點上形成了星系團(tuán)。通過證實引力在太陽系內(nèi)外的作用是相同的，研究人員為暗物質(zhì)和暗能量的存在提供了更多的證據(jù)。圖片：WGBH

然而，由于這個研究小組發(fā)現(xiàn)，引力在太陽系之外的作用就像在太陽系內(nèi)部一樣，目前看來，我們對引力的理解是正確的，暗物質(zhì)和暗能量仍然符合標(biāo)準(zhǔn)模型。這項研究并不是暗物質(zhì)和暗能量的具體“證據(jù)”，但它提供了它們存在的額外證據(jù)。驗證廣義相對論太陽系以外的第一次，該研究小組使用強大的引力透鏡效應(yīng),一種技術(shù)，大規(guī)模的對象——在這種情況下星系——就像一個巨大的透鏡通過彎曲光線，背景對象的形象也一個星系，是扭曲的。

這個天文學(xué)家小組使用了ESO 325-G004星系，因為它是離地球最近的透鏡之一，距離地球只有5億光年。如果這兩個物體排列得很好，這種效應(yīng)就會產(chǎn)生一圈圖像，即背景星系的“愛因斯坦環(huán)”。這個環(huán)的半徑“與光的偏轉(zhuǎn)成正比，所以如果測量環(huán)的半徑，可以測量時空的曲率。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的六幅不同的圖像被一種叫做引力透鏡的宇宙效應(yīng)放大了，這些圖像是由哈勃的廣角攝像機拍攝的，添加顏色以突出星系中的細(xì)節(jié)。圖片：NASA/ESA/J. Lowenthal (Smith College)

除了測量時空曲線，研究人員還必須確定星系的質(zhì)量，因為廣義相對論預(yù)測了一個質(zhì)量產(chǎn)生了多少曲率。他們通過測量星系的恒星運動的速度來計算這個質(zhì)量。然后，通過將測量的質(zhì)量與時空的測量曲率進(jìn)行比較，研究小組發(fā)現(xiàn)了廣義相對論對這個質(zhì)量或星系的預(yù)測。所以現(xiàn)在，據(jù)我們所知：即使在太陽系之外，廣義相對論也是正確的引力理論，這支天文學(xué)家團(tuán)隊希望研究更遠(yuǎn)的星系和透鏡，進(jìn)一步驗證整個宇宙的重力作用是一樣的。宇宙學(xué)和萬有引力研究所所長，團(tuán)隊成員Bob Nichol在一份聲明中說：用世界上最好的望遠(yuǎn)鏡去挑戰(zhàn)愛因斯坦，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)他是多么的正確，這讓人非常滿足。這項研究發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。

博科園-科學(xué)科普｜ 文：Chelsea Gohd/Space