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引力是已知四種基本力中最弱的一種力，在宇宙的演化過程中扮演著至關(guān)重要的角色。正是由于引力的作用，早期宇宙中的物質(zhì)才可以聚集在一起，形成今天我們看到的星系、恒星以及行星（比如地球）。

但究竟什么是引力？根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，引力實(shí)際上是大質(zhì)量物體扭曲時(shí)空結(jié)構(gòu)的結(jié)果。這就意味著，由于大質(zhì)量天體會(huì)彎曲時(shí)空，那么當(dāng)光線經(jīng)過該天體附近時(shí)就會(huì)發(fā)生偏折，而不沿直線傳播。1919年，愛丁頓（Arthur Eddington）通過對日食的觀測驗(yàn)證了這一想法，這是廣義相對論的第一個(gè)觀測證據(jù)。

自1915年廣義相對論被提出以來，它已經(jīng)在太陽系中被非常嚴(yán)格的檢驗(yàn)過了。但是，要想在單個(gè)星系那樣的尺度上精確地驗(yàn)證廣義相對論卻是非常困難的?，F(xiàn)在，一項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)》雜志的最新研究表明，廣義相對論同樣適用于整個(gè)星系范圍的尺度。此次的新發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化了宇宙學(xué)中的一個(gè)流行觀點(diǎn)，即95％的宇宙都是由暗物質(zhì)和暗能量組成的，這也就排除了幾個(gè)與之競爭的其他理論。

那么，研究人員是如何在星系尺度上檢驗(yàn)愛因斯坦的理論呢？上面我們提到了光線經(jīng)過恒星的時(shí)候會(huì)發(fā)生偏折，而比恒星更大的天體，比如星系、類星體或星系團(tuán)，引力不僅僅會(huì)偏折光線，還能表現(xiàn)的像透鏡一樣，這種現(xiàn)象被稱為“引力透鏡效應(yīng)”。

此次天文學(xué)家所觀測的目標(biāo)星系是距離地球4.5億光年的ESO 325-G004星系（簡稱為E325），我們將該星系稱為“前景星系”（充當(dāng)透鏡）。E325正好處于地球和另一個(gè)更遙遠(yuǎn)的星系（即背景星系）之間。當(dāng)這兩個(gè)星系完美對齊時(shí)，那么從背景星系發(fā)出的光線會(huì)在前景星系周圍的彎曲時(shí)空中偏折，因此我們會(huì)看到背景星系的多重圖像。下圖所顯示的正是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測到的這一效應(yīng)，我們可以看到它形成了一個(gè)所謂的“愛因斯坦環(huán)”。從該環(huán)的大小，我們就能推斷出在E325周圍的空間曲率有多大，進(jìn)而計(jì)算出星系的質(zhì)量。

此外，研究人員也通過觀測恒星在E325星系中的移動(dòng)速度，測量了E325的質(zhì)量。與地球繞著太陽運(yùn)行類似，E325中的恒星圍繞著星系的質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)，引力將它們維持在軌道中。星系中的質(zhì)量越大意味著引力越強(qiáng)，所以恒星的運(yùn)動(dòng)速度也就越快。為了測量它們的速度，研究人員運(yùn)用了“多普勒效應(yīng)”，這是一種由于運(yùn)動(dòng)引起的波的拉伸或擠壓。例如公路上的雷達(dá)測速攝像頭就是利用多普勒效應(yīng)，通過檢測從車輛反射回的無線電波的頻率變化來測量車速。以相似的方式，研究人員測量了從恒星發(fā)出的光線頻率變化，從而估算出它們的速度。

朝向我們移動(dòng)的恒星所發(fā)出的光線會(huì)略微偏移至藍(lán)光波段（藍(lán)移），而遠(yuǎn)離我們的恒星所發(fā)出的光則會(huì)偏至紅光波段（紅移）。它們移動(dòng)得越快，藍(lán)移或紅移也越嚴(yán)重。但是E325距離我們實(shí)在太遙遠(yuǎn)了，因此研究人員無法測量單個(gè)恒星的多普勒效應(yīng)。他們測量了一片區(qū)域里的恒星所發(fā)出的光線，再通過統(tǒng)計(jì)方法對不同恒星的速度進(jìn)行估算。這些觀測數(shù)據(jù)是通過智利的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）探測到的。

一旦測得了恒星的速度和“愛因斯坦環(huán)”的半徑，我們就可以對這兩種方法得出的星系質(zhì)量進(jìn)行比較。如果愛因斯坦是對的，那么得出的兩個(gè)結(jié)果應(yīng)該是一樣的。結(jié)果表明，兩個(gè)值之間的比值為0.97 ± 0.09，這與預(yù)期中的等于1相一致。盡管科學(xué)家以前曾經(jīng)做過類似的測量，但從未取得過當(dāng)前結(jié)果所達(dá)到的精確度。為什么我們?nèi)绱岁P(guān)心愛因斯坦的理論是對還是錯(cuò)呢？實(shí)際上它事關(guān)重大！我們對宇宙學(xué)的理解大部分依賴于對宇宙觀測結(jié)果的解釋，而這必須建立在廣義相對論是正確的前提之下。一旦廣義相對論不成立，那么宇宙學(xué)就會(huì)陷入真正的危機(jī)。根據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，宇宙中的絕大多數(shù)物質(zhì)是由暗物質(zhì)和暗能量組成的。

若要能解釋星系中恒星的運(yùn)動(dòng)，我們就需要暗物質(zhì)。雖然我們無法直接探測到它們，但我們可以觀測到它對恒星產(chǎn)生的引力作用。同時(shí)，天文學(xué)家在上個(gè)世紀(jì)就發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹，而且是在加速！為了解釋該現(xiàn)象，科學(xué)家提出了所謂的“暗能量”。科學(xué)家也試圖提出其他的引力理論來解釋這些神秘物質(zhì)。它們通常會(huì)調(diào)整引力在遠(yuǎn)距離上的作用，從而不需要依靠暗能量就能解釋觀測到的結(jié)果。但是新結(jié)果卻表明，引力的行為在6500光年的尺度上仍與廣義相對論的預(yù)期一致。這一結(jié)果對那些替代理論是很不利的。此次的研究不僅驗(yàn)證了愛因斯坦的理論，而且還表明了無論暗能量和暗物質(zhì)是什么，它們都是真實(shí)存在的；又或者說，若廣義相對論還需要被修正，則要在比星系更大的尺度上進(jìn)行。

博科園-科學(xué)科普｜ 文：Zwicky 來自：原理/principia1687