銀河系星團證實愛因斯坦理論

要想測試一下萬有引力的存在是一件很簡單的事。你只要從二樓的窗口邁出去，看看會發(fā)生什么事就知道了。測試阿爾伯特·愛因斯坦的重力理論——即廣義相對論則是一件非常麻煩的事。該理論告訴我們一個物體的重量與它周圍的時－空密切相關(guān)，不可分隔。雖然在太陽系的范圍里，研究者們已經(jīng)證明了廣義相對論，要在宇宙范圍里證明它則面臨著更多的挑戰(zhàn)，這也就是一些丹麥的天體物理學(xué)家們現(xiàn)在正在做的事。

由哥本哈根大學(xué)尼爾斯·波爾研究所Radek Wojak領(lǐng)導(dǎo)的研究小組設(shè)計了一種試驗，對一種廣義相對論的經(jīng)典預(yù)言進行測試。該預(yù)言說當光從一個引力場逃離時，它將會失去能量。場強度越強，光遭受的能量損失越多。其結(jié)果，從一個星系團——一個包含了數(shù)以千計的星系的巨大天體的中心逸出的光子要比從該星系團邊緣逸出的光子失去的能量更大，因為星系團中心地區(qū)的引力強度最強。所以，從星系團中心發(fā)出的光比從星團邊緣發(fā)出的光波長更長，在光譜上更偏向紅光的一端。這種效應(yīng)稱為引力紅移。

Wojtak和他的同事們知道在一個星系團范圍內(nèi)測量引力紅移是很難的，因為這種效應(yīng)很小，并需要與星系團里許多單個星系的由軌道速度引起的紅移，以及宇宙膨脹引起的紅移區(qū)分開來。研究者們借助Sloan數(shù)字巡天系統(tǒng)，從8000個星系團收集到的數(shù)據(jù)加以平均，來逐步深入研究問題?！巴ㄟ^對星系團中星系紅移分布的性質(zhì)的研究，而不是孤立地關(guān)注星系團中單個星系產(chǎn)生的紅移，并希望以此方法來測量到引力紅移”，Wojtak解釋說。

研究者們發(fā)現(xiàn)從星系團發(fā)出的光產(chǎn)生紅移的程度與它們離星系團中心的距離成正比，這與廣義相對論的預(yù)言是一致的?！拔覀兡軌驕y量出不同星系紅移之間的微小區(qū)別。從星系團中央?yún)^(qū)域的星系發(fā)出的光必須‘匍匐’爬出引力場，而與此同時從處在邊緣的星系發(fā)出的光就要容易得多”。Wojtak說。這項發(fā)現(xiàn)已經(jīng)在Nature上作了在線報道。

除了對廣義相對論確認之外，研究結(jié)果還對宇宙中的lambda冷暗物質(zhì)模型給予強力支持。這是一種早已普及的宇宙學(xué)模型，即宇宙里最大部分是由看不見的、與構(gòu)成恒星和行星的物質(zhì)互不干涉的材料構(gòu)成。這項測試結(jié)果同樣也支持了暗能量，那種推動宇宙出現(xiàn)分裂的、令人難以捉摸的力。

Dawid Spergel——一位普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家——評論 Wojtak和他同事們的工作說：“條理清晰地綜合了大量的檢測‘極其敏感效應(yīng)’的數(shù)據(jù)”。Spergel還說：“對愛因斯坦來說這是又一個勝利。”這項星系團測試支持這種說法，我們生活在一個具有暗物質(zhì)和暗能量的奇怪的宇宙里，但對愛因斯坦的引力理論來說，在大尺度范圍里也依然有效。