最精确星系重力透镜效应研究 再次强化爱因斯坦是对的

【Technews科技新报】广义相对论预言大质量物体可以扭曲时空本身结构，因此当远方光线通过一个星系时，光的路径会沿着弯曲重力场发生偏转。现在，天文学家进行了迄今为止最精确的太阳系外时空曲率研究，计算出距离我们仅 4.5 亿光年的 ESO 325-G004 星系其质量与爱因斯坦环半径，以更大的天文尺度证明广义相对论是正确的。

自 1916 年犹太物理学家爱因斯坦的广义相对论出版以来，科学家就开始进行各种光基于重力场而发生偏转的实验。英国天体物理学家亚瑟?爱丁顿（Arthur Eddington）于 1919 年 5 月 29 日率队在西非普林西比岛观测日全食，趁此机会拍摄太阳附近的星光，发现星星视位置略为改变，成为第一个以证据验证广义相对论的人，为当时科学界重大事件（根据广义相对论，太阳的重力会扭曲附近时空，导致光线弯曲）。

不过到目前为止，科学家都只在太阳系内对广义相对论进行精确验证，虽然也有找到几百个有机会形成爱因斯坦环的强重力透镜（strong gravitational lenses）区域，但大多数都距离太远而无法精确测得质量。

直到最近，由英国朴茨茅斯大学天体物理学家 Thomas Collett 领导的团队，利用两种方法分析距离我们仅 4.5 亿光年远的 ESO 325-G004 星系，以目前最高精确度再次确定，广义相对论于太阳系外的更大尺度上仍未失效──虽然多数人不会对这次实验感到太惊讶。

第一种方法是利用欧洲太空总署位于智利的甚大望远镜（VLT），以多普勒效应（Doppler effect）测量星系中恒星移动的速度；第二种方法是利用美国太空总署（NASA）的哈伯太空望远镜，测量由该星系扭曲背景光源后所形成的爱因斯坦环半径，由于环半径与光的偏转成比例，因此可得知星系的时空曲率有多大。

团队利用两架望远镜数据测量星系质量。（Source：欧洲太空总署）

广义相对论中对光线偏折和对时间延迟的测量共同决定了一个 PPN 参数 γ（gamma），这个参数表征了重力对时空几何的影响，比值应等于 1，《Forbes》报导，研究团队将恒星速度与爱因斯坦环半径两份数据结合后，能重建该星系的质量，并建立包括各种性质的最佳拟合模型（best-fit model），从中再获得 γ 最佳拟合值，确认是否如广义相对论所预测那般等于 1。

研究得出 γ 最佳拟合值为 0.978，具有 ±0.03 的统计不确定性，这些不确定性都以恒星运动速度为主，最终结论为：γ = 0.97±0.09，第一次在大天文尺度精确验证广义相对论。

为什么我们需要不断测试爱因斯坦理论？需记住，宇宙正在扩张，且扩张还在加速，多数宇宙学家认为这是由暗能量引起的现象，但也有理论物理学家猜测，可能还有一个比广义相对论更宏观的重力理论，不需要暗物质及暗能量的假想也能解释宇宙膨胀。只不过就目前观察 ESO 325-G004 星系的结果而言，广义相对论仍成立，那些宏观理论暂时行不通。现在如果你想解释宇宙的加速膨胀，可不能再随便说你不喜欢暗能量的假设了。

让我们持续关注有关验证爱因斯坦理论的实验，接下来 10 年内，欧几里得卫星（Euclid satellite）与大型综合巡天望远镜（Large Synoptic Survey Telescope, LSST）这两架新望远镜，将能从比 ESO 325-G004 星系还要远 1,000 倍以上的距离验证广义相对论，也许下一个测试就能揪出爱因斯坦的小辫子？新研究已发布在《科学》期刊。

（首图来源：欧洲太空总署）