最精確星系重力透鏡效應研究，再次強化愛因斯坦是對的

【Technews科技新報】廣義相對論預言大質量物體可以扭曲時空本身結構，因此當遠方光線通過一個星系時，光的路徑會沿著彎曲重力場發生偏轉。現在，天文學家進行了迄今為止最精確的太陽系外時空曲率研究，計算出距離我們僅 4.5 億光年的 ESO 325-G004 星系其質量與愛因斯坦環半徑，以更大的天文尺度證明廣義相對論是正確的。

自 1916 年猶太物理學家愛因斯坦的廣義相對論出版以來，科學家就開始進行各種光基於重力場而發生偏轉的實驗。英國天體物理學家亞瑟?愛丁頓（Arthur Eddington）於 1919 年 5 月 29 日率隊在西非普林西比島觀測日全食，趁此機會拍攝太陽附近的星光，發現星星視位置略為改變，成為第一個以證據驗證廣義相對論的人，為當時科學界重大事件（根據廣義相對論，太陽的重力會扭曲附近時空，導致光線彎曲）。

不過到目前為止，科學家都只在太陽系內對廣義相對論進行精確驗證，雖然也有找到幾百個有機會形成愛因斯坦環的強重力透鏡（strong gravitational lenses）區域，但大多數都距離太遠而無法精確測得質量。

直到最近，由英國朴茨茅斯大學天體物理學家 Thomas Collett 領導的團隊，利用兩種方法分析距離我們僅 4.5 億光年遠的 ESO 325-G004 星系，以目前最高精確度再次確定，廣義相對論於太陽系外的更大尺度上仍未失效──雖然多數人不會對這次實驗感到太驚訝。

第一種方法是利用歐洲太空總署位於智利的甚大望遠鏡（VLT），以都卜勒效應（Doppler effect）測量星系中恆星移動的速度；第二種方法是利用美國太空總署（NASA）的哈伯太空望遠鏡，測量由該星系扭曲背景光源後所形成的愛因斯坦環半徑，由於環半徑與光的偏轉成比例，因此可得知星系的時空曲率有多大。

團隊利用兩架望遠鏡數據測量星系質量。（Source：歐洲太空總署）

廣義相對論中對光線偏折和對時間延遲的測量共同決定了一個 PPN 參數 γ（gamma），這個參數表徵了重力對時空幾何的影響，比值應等於 1，《Forbes》報導，研究團隊將恆星速度與愛因斯坦環半徑兩份數據結合後，能重建該星系的質量，並建立包括各種性質的最佳擬合模型（best-fit model），從中再獲得 γ 最佳擬合值，確認是否如廣義相對論所預測那般等於 1。

研究得出 γ 最佳擬合值為 0.978，具有 ±0.03 的統計不確定性，這些不確定性都以恆星運動速度為主，最終結論為：γ = 0.97±0.09，第一次在大天文尺度精確驗證廣義相對論。

為什麼我們需要不斷測試愛因斯坦理論？需記住，宇宙正在擴張，且擴張還在加速，多數宇宙學家認為這是由暗能量引起的現象，但也有理論物理學家猜測，可能還有一個比廣義相對論更宏觀的重力理論，不需要暗物質及暗能量的假想也能解釋宇宙膨脹。只不過就目前觀察 ESO 325-G004 星系的結果而言，廣義相對論仍成立，那些宏觀理論暫時行不通。現在如果你想解釋宇宙的加速膨脹，可不能再隨便說你不喜歡暗能量的假設了。

讓我們持續關注有關驗證愛因斯坦理論的實驗，接下來 10 年內，歐幾里得衛星（Euclid satellite）與大型綜合巡天望遠鏡（Large Synoptic Survey Telescope, LSST）這兩架新望遠鏡，將能從比 ESO 325-G004 星系還要遠 1,000 倍以上的距離驗證廣義相對論，也許下一個測試就能揪出愛因斯坦的小辮子？新研究已發布在《科學》期刊。

（首圖來源：歐洲太空總署）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！