愛因斯坦是對的！科學家證實廣義相對論與遙遠星系有關

一項新研究首次證實了愛因斯坦在遙遠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，並為暗物質和暗能量的存在提供了更多的證據——這兩個神秘的概念，科學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年發表的廣義相對論解釋了引力是一個被稱為時空結構的概念的結果。簡單地說，這個理論預測了一個物體的質量（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表以來，它已經在我們的太陽系裡被多次測試。

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

這項由英國朴茨茅斯大學宇宙學與引力研究所的托馬斯·科利特領導的國際天文學家小組進行的新研究研究人員說：這是第一次在天文範圍內對廣義相對論進行精確的測試。研究小組利用美國宇航局的哈勃太空望遠鏡和歐洲南部天文台在智利的超大望遠鏡的數據，發現引力在遙遠的星系中的表現和在太陽系中的表現是一樣——正如愛因斯坦的理論所預測那樣。佛羅里達Embry-Riddle航空大學的天文學家、物理學教授Terry Oswalt說：研究人員測試了這一假設，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，尤其是宇宙學，都具有根本性的重要性。

在驗證廣義相對論時，這些發現也為暗物質和暗能量的存在提供了額外的證據，暗物質和暗能量是宇宙學標準模型中存在的兩個「奇怪的東西」。標準模型是一種理論，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，我們對暗物質和暗能量的理解和解釋的缺乏，「今天宇宙學中最大的兩個謎團」，導致了一些人對標準模型的質疑。天文學家是否會很快放棄宇宙學的標準模型，因此，研究人員沒有放棄標準模型，而是希望「使模型更精確地解釋觀察到的數據。在標準模型中，需要暗物質來解釋恆星環繞星系的速度，需要暗能量來解釋宇宙為什麼膨脹得更快。一些科學家已經提出「替代引力理論」，可以在標準模型中消除對暗物質和暗能量的需求。

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

然而，由於這個研究小組發現，引力在太陽系之外的作用就像在太陽系內部一樣，目前看來，我們對引力的理解是正確的，暗物質和暗能量仍然符合標準模型。這項研究並不是暗物質和暗能量的具體「證據」，但它提供了它們存在的額外證據。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,一種技術，大規模的對象——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，這種效應就會產生一圈圖像，即背景星系的「愛因斯坦環」。這個環的半徑「與光的偏轉成正比，所以如果測量環的半徑，可以測量時空的曲率。

哈勃太空望遠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節。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量，因為廣義相對論預測了一個質量產生了多少曲率。他們通過測量星系的恆星運動的速度來計算這個質量。然後，通過將測量的質量與時空的測量曲率進行比較，研究小組發現了廣義相對論對這個質量或星系的預測。所以現在，據我們所知：即使在太陽系之外，廣義相對論也是正確的引力理論，這支天文學家團隊希望研究更遠的星系和透鏡，進一步驗證整個宇宙的重力作用是一樣的。宇宙學和萬有引力研究所所長，團隊成員Bob Nichol在一份聲明中說：用世界上最好的望遠鏡去挑戰愛因斯坦，結果卻發現他是多麼的正確，這讓人非常滿足。這項研究發表在《科學》期刊上。

博科園-科學科普｜ 文：Chelsea Gohd/Space

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