愛因斯坦廣義相對論在宇宙尺度上獲得驗證

2011年10月10日 08:52來源：科學時報 作者：Radosaw Wojtak

驗證地心引力很簡單：在二樓的窗台上再邁一步，看看到底發生了什麼。然而要驗證阿爾伯特·愛因斯坦的引力理論——廣義相對論——卻要難得多，該理論認為一個物體的引力能夠扭曲周圍的時間和空間。儘管研究人員已經在太陽系的尺度上驗證了廣義相對論，但是要在宇宙尺度上驗證它還有更多的挑戰。而這恰好是一個丹麥天體物理學家研究團隊正在做的事。

研究人員用採集了8000個星系團的數據再一次證明了愛因斯坦的廣義相對論。上圖為哈勃望遠鏡拍攝到的星系團。

由哥本哈根大學尼爾斯波爾研究所的Radek Wojtak領導的研究人員著手檢驗廣義相對論的一個經典預言：光在擺脫一個引力場後會失去能量。根據這一理論，引力場越強，光失去的能量就越多。因此，從一個星系團——包含有數千個星系的巨大天體——中心釋放的光子要比來自星系團邊緣的光子損失更多的能量，原因是星系團中心的引力是最強的。這就導致來自星系團中心的光在波長上要長於來自星系團邊緣的光，即轉向光譜的紅端。這種效應被稱為引力紅移。

Wojtak和他的同事知道，在單個星系團中測量引力紅移是很困難的，因為效應非常微弱，且還需理清由星系團內部的個別星系的軌道速度導致的紅移，以及由宇宙膨脹導致的紅移。研究人員通過將從「斯隆數字巡天」採集到的8000個星系團的數據平均化來解決這一問題。Wojtak解釋說，希望「通過研究星系團中的星系的紅移分布特徵而不是著眼於個別星系單獨的紅移」來檢測出引力紅移。果然，研究人員發現，來自星系團的光按照與星系團中心的距離成比例地產生紅移，這與廣義相對論的預測相一致。Wojtak指出：「我們能夠測量到星系紅移的微小差異，並且發現位於星系團中心的星系發出的光不得不從引力場中『爬』出來，而來自邊遠星系的光則容易得多。」

研究人員在9月29日出版的《自然》雜誌上報告了這一發現。除了證明廣義相對論之外，這一研究成果還有力地支持了宇宙的λ—冷暗物質模型—— 一個已經流行的宇宙模型，認為大部分宇宙是由不會與構成恆星和行星的物質相互反應的看不見的物質所組成的。這項實驗還支持了暗能量—— 一種似乎要將宇宙分開的神秘力量。美國普林斯頓大學的天體物理學家David Spergel稱讚Wojtak和他的同事將一個大型的星系團數據「巧妙地結合」，用以探測一個「微妙的效應」。

Spergel表示：「這是愛因斯坦的又一個勝利……這項星系團實驗表明，我們生活在一個充滿了暗物質和暗能量的奇異宇宙中，但其中愛因斯坦的引力理論在很大尺度上是有效的。」

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