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在另一个星系,验证爱因斯坦的理论

引力,是已知四种基本力中最弱的一种力,在宇宙的演化过程中扮演着至关重要的角色。正是由于引力的作用,早期宇宙中的物质才可以聚集在一起,形成今天我们看到的星系、恒星以及行星(比如地球)


但究竟什么是引力?根据爱因斯坦的广义相对论,引力实际上是大质量物体扭曲时空结构的结果。这就意味着,由于大质量天体会弯曲时空,那么当光线经过该天体附近时就会发生偏折,而不沿直线传播。1919年,爱丁顿(Arthur Eddington)通过对日食的观测验证了这一想法,这是广义相对论的第一个观测证据。


○ 1919年,天文学家爱丁顿对日全食的观测结果显示,广义相对论完美地描述了星光在大质量物体附近发生了偏折,从而推翻了牛顿引力的图景。| 图片来源:The Illustrated London News, 1919

自1915年广义相对论被提出以来,它已经在太阳系中被非常严格的检验过了。但是,要想在单个星系那样的尺度上精确地验证广义相对论却是非常困难的。现在,一项发表在《科学》杂志的最新研究表明,广义相对论同样适用于整个星系范围的尺度。此次的新发现强化了宇宙学中的一个流行观点,即95%的宇宙都是由暗物质暗能量组成的,这也就排除了几个与之竞争的其他理论


那么,研究人员是如何在星系尺度上检验爱因斯坦的理论呢?


上面我们提到了光线经过恒星的时候会发生偏折,而比恒星更大的天体,比如星系、类星体或星系团,引力不仅仅会偏折光线,还能表现的像透镜一样,这种现象被称为“引力透镜效应”。


○ 引力透镜是爱因斯坦的引力理论中一个重要的预言。整个系统包括:观测者(Earth)、前景星系(Foreground galaxy)和遥远的背景星系(Distant galaxy)。| 图片来源:Herschel ATLAS Gravitational Lenses

此次天文学家所观测的目标星系是距离地球4.5亿光年的ESO 325-G004星系(简称为E325),我们将该星系称为“前景星系”(充当透镜)。E325正好处于地球和另一个更遥远的星系(即背景星系)之间。当这两个星系完美对齐时,那么从背景星系发出的光线会在前景星系周围的弯曲时空中偏折,因此我们会看到背景星系的多重图像。下图所显示的正是哈勃太空望远镜观测到的这一效应,我们可以看到它形成了一个所谓的“爱因斯坦环”。从该环的大小,我们就能推断出在E325周围的空间曲率有多大,进而计算出星系的质量


○ 星系ESO325-G004。消除掉来自星系本身的光后,一个蓝色的爱因斯坦环出现在图片中心。| 图片来源:NASA / Hubble

此外,研究人员也通过观测恒星在E325星系中的移动速度,测量了E325的质量。与地球绕着太阳运行类似,E325中的恒星围绕着星系的质心转动,引力将它们维持在轨道中。星系中的质量越大意味着引力越强,所以恒星的运动速度也就越快


为了测量它们的速度,研究人员运用了“多普勒效应”,这是一种由于运动引起的波的拉伸或挤压。例如公路上的雷达测速摄像头就是利用多普勒效应,通过检测从车辆反射回的无线电波的频率变化来测量车速。以相似的方式,研究人员测量了从恒星发出的光线频率变化,从而估算出它们的速度。朝向我们移动的恒星所发出的光线会略微偏移至光波段(蓝移),而远离我们的恒星所发出的光则会偏至光波段(红移)它们移动得越快,蓝移或红移也越严重


但是E325距离我们实在太遥远了,因此研究人员无法测量单个恒星的多普勒效应。他们测量了一片区域里的恒星所发出的光线,再通过统计方法对不同恒星的速度进行估算。这些观测数据是通过智利的甚大望远镜(VLT)探测到的。


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○ 甚大望远镜与月落。| 图片来源:G. Gillet / ESO

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