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最精确星系重力透镜效应研究,再次强化爱因斯坦是对的

2024-11-02 205

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。

▲ 大质量物体扭曲时空结构。

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?新研究已发表在《科学》期刊。

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(首图来源:欧洲太空总署)

延伸阅读:

  • 超大质量星系团扭曲光线,哈伯望远镜从中拍下优雅爱因斯坦环
2019-03-13 15:18:00

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