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天文学家完成银河系外广义相对论的最精确验证

2018.06.25

在“哈勃”太空望远镜、欧洲南方天文台甚大望远镜(VLT)合力帮助下,天文学家利用对银河系外爱因斯坦广义相对论进行了迄今最为精确的检验,再次确定了相对论在描述引力效应上不可动摇的地位!

由VLT和“哈勃”望远镜数据合成的 ESO 325-G004 爱因斯坦环(来源:ESO, ESA/Hubble, NASA)

ESO 325-G004 是个大质量的椭圆星系,它将背后更为遥远的星系的光扭曲了,构成一个典型的“爱因斯坦”环。根据爱因斯坦的广义相对论,任何有质量的物质都会使周围的时空变形扭曲。当质量非常大的时候,扭曲的程度会非常显著,而这种现象我们只能在神奇的宇宙中找到。一个大质量的天体,如星系或星系团,如果恰巧位于更遥远的星系或星系团与地球的连线上,那么它们会把后者扭曲成弧线甚至是圆环,看上去就像一颗水晶球,这种现象就是引力透镜效应。迄今我们已经在宇宙中找到了上百例,不过由于绝大多数距离遥远,无法精确测定距离。 ESO 325-G004 距离地球4.5亿光年,是最近的引力透镜现象之一。

引力透镜效应示意图(来源:ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.)

英国朴茨茅斯大学托马斯·克里特(Thomas Collett)领衔的一个研究小组首先借助甚大望远镜(VLT)上的多目标光谱探测仪(MUSE)精确测定了 ESO 325-G004 内的恒星运动状态,从而推算出星系必须拥有多大的质量才能让这些恒星保持在自己的轨道上。不过MUSE并不能直接拍照。因此,团队还必须依靠“哈勃”的照片来确定来自遥远星系的光被 ESO 325-G004 扭曲的程度是多少。研究人员仔细分析了引力强度的分布,发现结果符合广义相对论的预测,不确定度只有9%。此前,广义相对论在太阳系尺度上已经得到了精确的检验,而在银河系尺度上,广义相对论也已经对银河中心黑洞作了精确描述,然而尚未在更大更远的尺度上进行过精确检验。因此这项研究对验证当前的宇宙模型至关重要。最终,爱因斯坦通过了这场由当今最好的望远镜所组织的测试,广义相对论无可挑剔。

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