爱因斯坦广义相对论在宇宙尺度上获得验证

伤我心太深

验证地心引力很简单：在二楼的窗台上再迈一步，看看到底发生了什么。然而要验证阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论——广义相对论——却要难得多，该理论认为一个物体的引力能够扭曲周围的时间和空间。尽管研究人员已经在太阳系的尺度上验证了广义相对论，但是要在宇宙尺度上验证它还有更多的挑战。而这恰好是一个丹麦天体物理学家研究团队正在做的事。

研究人员用采集了8000个星系团的数据再一次证明了爱因斯坦的广义相对论。上图为哈勃望远镜拍摄到的星系团。

由哥本哈根大学尼尔斯波尔研究所的Radek Wojtak领导的研究人员着手检验广义相对论的一个经典预言：光在摆脱一个引力场后会失去能量。根据这一理论，引力场越强，光失去的能量就越多。因此，从一个星系团——包含有数千个星系的巨大天体——中心释放的光子要比来自星系团边缘的光子损失更多的能量，原因是星系团中心的引力是最强的。这就导致来自星系团中心的光在波长上要长于来自星系团边缘的光，即转向光谱的红端。这种效应被称为引力红移。

Wojtak和他的同事知道，在单个星系团中测量引力红移是很困难的，因为效应非常微弱，且还需理清由星系团内部的个别星系的轨道速度导致的红移，以及由宇宙膨胀导致的红移。研究人员通过将从“斯隆数字巡天”采集到的8000个星系团的数据平均化来解决这一问题。Wojtak解释说，希望“通过研究星系团中的星系的红移分布特征而不是着眼于个别星系单独的红移”来检测出引力红移。果然，研究人员发现，来自星系团的光按照与星系团中心的距离成比例地产生红移，这与广义相对论的预测相一致。Wojtak指出：“我们能够测量到星系红移的微小差异，并且发现位于星系团中心的星系发出的光不得不从引力场中‘爬’出来，而来自边远星系的光则容易得多。”

研究人员在9月29日出版的《自然》杂志上报告了这一发现。除了证明广义相对论之外，这一研究成果还有力地支持了宇宙的λ—冷暗物质模型—— 一个已经流行的宇宙模型，认为大部分宇宙是由不会与构成恒星和行星的物质相互反应的看不见的物质所组成的。这项实验还支持了暗能量—— 一种似乎要将宇宙分开的神秘力量。美国普林斯顿大学的天体物理学家David Spergel称赞Wojtak和他的同事将一个大型的星系团数据“巧妙地结合”，用以探测一个“微妙的效应”。

Spergel表示：“这是爱因斯坦的又一个胜利……这项星系团实验表明，我们生活在一个充满了暗物质和暗能量的奇异宇宙中，但其中爱因斯坦的引力理论在很大尺度上是有效的。”