一項(xiàng)新研究首次證實(shí)了愛(ài)因斯坦在遙遠(yuǎn)星系中的廣義相對(duì)論。這項(xiàng)研究支持了我們目前對(duì)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(gè)神秘的概念，科學(xué)家只能通過(guò)觀察它們對(duì)宇宙物體的影響間接了解。阿爾伯特·愛(ài)因斯坦1916年發(fā)表的廣義相對(duì)論解釋了引力是一個(gè)被稱為時(shí)空結(jié)構(gòu)的概念的結(jié)果。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這個(gè)理論預(yù)測(cè)了一個(gè)物體的質(zhì)量（在這種情況下，一個(gè)星系）彎曲時(shí)空的程度。自從這個(gè)理論首次發(fā)表以來(lái)，它已經(jīng)在我們的太陽(yáng)系里被多次測(cè)試。

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

這項(xiàng)由英國(guó)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(guó)際天文學(xué)家小組進(jìn)行的新研究研究人員說(shuō)：這是第一次在天文范圍內(nèi)對(duì)廣義相對(duì)論進(jìn)行精確的測(cè)試。研究小組利用美國(guó)宇航局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和歐洲南部天文臺(tái)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(yáng)系中的表現(xiàn)是一樣——正如愛(ài)因斯坦的理論所預(yù)測(cè)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(shuō)：研究人員測(cè)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(yàn)證廣義相對(duì)論(尤其是最大的尺度)，對(duì)整個(gè)物理學(xué)，尤其是宇宙學(xué)，都具有根本性的重要性。在驗(yàn)證廣義相對(duì)論時(shí)，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(gè)“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(shí)驗(yàn)。

然而，我們對(duì)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(gè)謎團(tuán)”，導(dǎo)致了一些人對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的質(zhì)疑。天文學(xué)家是否會(huì)很快放棄宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，因此，研究人員沒(méi)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(lái)解釋恒星環(huán)繞星系的速度，需要暗能量來(lái)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(duì)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(diǎn)上形成了星系團(tuán)。通過(guò)證實(shí)引力在太陽(yáng)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(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，引力在太陽(yáng)系之外的作用就像在太陽(yáng)系內(nèi)部一樣，目前看來(lái)，我們對(duì)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(xiàng)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(yàn)證廣義相對(duì)論太陽(yáng)系以外的第一次，該研究小組使用強(qiáng)大的引力透鏡效應(yīng),一種技術(shù)，大規(guī)模的對(duì)象——在這種情況下星系——就像一個(gè)巨大的透鏡通過(guò)彎曲光線，背景對(duì)象的形象也一個(gè)星系，是扭曲的。

這個(gè)天文學(xué)家小組使用了ESO 325-G004星系，因?yàn)樗请x地球最近的透鏡之一，距離地球只有5億光年。如果這兩個(gè)物體排列得很好，這種效應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生一圈圖像，即背景星系的“愛(ài)因斯坦環(huán)”。這個(gè)環(huán)的半徑“與光的偏轉(zhuǎn)成正比，所以如果測(cè)量環(huán)的半徑，可以測(cè)量時(shí)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(jī)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(cè)量時(shí)空曲線，研究人員還必須確定星系的質(zhì)量，因?yàn)閺V義相對(duì)論預(yù)測(cè)了一個(gè)質(zhì)量產(chǎn)生了多少曲率。他們通過(guò)測(cè)量星系的恒星運(yùn)動(dòng)的速度來(lái)計(jì)算這個(gè)質(zhì)量。然后，通過(guò)將測(cè)量的質(zhì)量與時(shí)空的測(cè)量曲率進(jìn)行比較，研究小組發(fā)現(xiàn)了廣義相對(duì)論對(duì)這個(gè)質(zhì)量或星系的預(yù)測(cè)。所以現(xiàn)在，據(jù)我們所知：即使在太陽(yáng)系之外，廣義相對(duì)論也是正確的引力理論，這支天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)希望研究更遠(yuǎn)的星系和透鏡，進(jìn)一步驗(yàn)證整個(gè)宇宙的重力作用是一樣的。宇宙學(xué)和萬(wàn)有引力研究所所長(zhǎng)，團(tuán)隊(duì)成員Bob Nichol在一份聲明中說(shuō)：用世界上最好的望遠(yuǎn)鏡去挑戰(zhàn)愛(ài)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(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。

博科園-科學(xué)科普｜ 文：Chelsea Gohd/Space