最精確星系重力透鏡效應研究,再次強化愛因斯坦是對的

作者 | 發布日期 2018 年 06 月 30 日 11:40 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

廣義相對論預言大質量物體可以扭曲時空本身結構,因此當遠方光線通過一個星系時,光的路徑會沿著彎曲重力場發生偏轉。現在,天文學家進行了迄今為止最精確的太陽系外時空曲率研究,計算出距離我們僅 4.5 億光年的 ESO 325-G004 星系其質量與愛因斯坦環半徑,以更大的天文尺度證明廣義相對論是正確的。



自 1916 年猶太物理學家愛因斯坦的廣義相對論出版以來,科學家就開始進行各種光基於重力場而發生偏轉的實驗。英國天體物理學家亞瑟‧愛丁頓(Arthur Eddington)於 1919 年 5 月 29 日率隊在西非普林西比島觀測日全食,趁此機會拍攝太陽附近的星光,發現星星視位置略為改變,成為第一個以證據驗證廣義相對論的人,為當時科學界重大事件(根據廣義相對論,太陽的重力會扭曲附近時空,導致光線彎曲)。

不過到目前為止,科學家都只在太陽系內對廣義相對論進行精確驗證,雖然也有找到幾百個有機會形成愛因斯坦環的強重力透鏡(strong gravitational lenses)區域,但大多數都距離太遠而無法精確測得質量。

▲ 大質量物體扭曲時空結構。

直到最近,由英國樸茨茅斯大學天體物理學家 Thomas Collett 領導的團隊,利用兩種方法分析距離我們僅 4.5 億光年遠的 ESO 325-G004 星系,以目前最高精確度再次確定,廣義相對論於太陽系外的更大尺度上仍未失效──雖然多數人不會對這次實驗感到太驚訝。

第一種方法是利用歐洲太空總署位於智利的甚大望遠鏡(VLT),以都卜勒效應(Doppler effect)測量星系中恆星移動的速度;第二種方法是利用美國太空總署(NASA)的哈伯太空望遠鏡,測量由該星系扭曲背景光源後所形成的愛因斯坦環半徑,由於環半徑與光的偏轉成比例,因此可得知星系的時空曲率有多大。

▲ 團隊利用兩架望遠鏡數據測量星系質量。(Source:歐洲太空總署

廣義相對論中對光線偏折和對時間延遲的測量共同決定了一個 PPN 參數 γ(gamma),這個參數表徵了重力對時空幾何的影響,比值應等於 1,《Forbes》報導,研究團隊將恆星速度與愛因斯坦環半徑兩份數據結合後,能重建該星系的質量,並建立包括各種性質的最佳擬合模型(best-fit model),從中再獲得 γ 最佳擬合值,確認是否如廣義相對論所預測那般等於 1。

研究得出 γ 最佳擬合值為 0.978,具有 ±0.03 的統計不確定性,這些不確定性都以恆星運動速度為主,最終結論為:γ = 0.97±0.09,第一次在大天文尺度精確驗證廣義相對論。

為什麼我們需要不斷測試愛因斯坦理論?需記住,宇宙正在擴張,且擴張還在加速,多數宇宙學家認為這是由暗能量引起的現象,但也有理論物理學家猜測,可能還有一個比廣義相對論更宏觀的重力理論,不需要暗物質及暗能量的假想也能解釋宇宙膨脹。只不過就目前觀察 ESO 325-G004 星系的結果而言,廣義相對論仍成立,那些宏觀理論暫時行不通。現在如果你想解釋宇宙的加速膨脹,可不能再隨便說你不喜歡暗能量的假設了。

讓我們持續關注有關驗證愛因斯坦理論的實驗,接下來 10 年內,歐幾里得衛星(Euclid satellite)與大型綜合巡天望遠鏡(Large Synoptic Survey Telescope, LSST)這兩架新望遠鏡,將能從比 ESO 325-G004 星系還要遠 1,000 倍以上的距離驗證廣義相對論,也許下一個測試就能揪出愛因斯坦的小辮子?新研究已發表在《科學》期刊。

(首圖來源:歐洲太空總署

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