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    爱因斯坦是对的!科学家证实广义相对论与遥远星系有关

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      普朗克

      一项新研究首次证实了爱因斯坦在遥远星系中的广义相对论。这项研究支持了我们目前对引力的理解,并为暗物质和暗能量的存在提供了更多的证据——这两个神秘的概念,科学家只能通过观察它们对宇宙物体的影响间接了解。阿尔伯特·爱因斯坦1916年发表的广义相对论解释了引力是一个被称为时空结构的概念的结果。简单地说,这个理论预测了一个物体的质量(在这种情况下,一个星系)弯曲时空的程度。自从这个理论首次发表以来,它已经在我们的太阳系里被多次测试。

      爱因斯坦是对的!科学家证实广义相对论与遥远星系有关

      哈勃太空望远镜捕获了来自LRG 3-757星系的引力透镜。图片:ESA/Hubble & NASA

      这项由英国朴茨茅斯大学宇宙学与引力研究所的托马斯·科利特领导的国际天文学家小组进行的新研究研究人员说:这是第一次在天文范围内对广义相对论进行精确的测试。研究小组利用美国宇航局的哈勃太空望远镜和欧洲南部天文台在智利的超大望远镜的数据,发现引力在遥远的星系中的表现和在太阳系中的表现是一样——正如爱因斯坦的理论所预测那样。佛罗里达Embry-Riddle航空大学的天文学家、物理学教授Terry Oswalt说:研究人员测试了这一假设,即“在地球上工作的物理定律在其他任何地方都是正确的”,“在所有可能的尺度上验证广义相对论(尤其是最大的尺度),对整个物理学,尤其是宇宙学,都具有根本性的重要性。

      在验证广义相对论时,这些发现也为暗物质和暗能量的存在提供了额外的证据,暗物质和暗能量是宇宙学标准模型中存在的两个“奇怪的东西”。标准模型是一种理论,描述了宇宙中的基本力和粒子是如何相互作用和相互作用的,它旨在解释我们的观察和实验。然而,我们对暗物质和暗能量的理解和解释的缺乏,“今天宇宙学中最大的两个谜团”,导致了一些人对标准模型的质疑。天文学家是否会很快放弃宇宙学的标准模型,因此,研究人员没有放弃标准模型,而是希望“使模型更精确地解释观察到的数据。在标准模型中,需要暗物质来解释恒星环绕星系的速度,需要暗能量来解释宇宙为什么膨胀得更快。一些科学家已经提出“替代引力理论”,可以在标准模型中消除对暗物质和暗能量的需求。

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      暗物质似乎以一种网状的模式在宇宙中扩散,在纤维相交的节点上形成了星系团。通过证实引力在太阳系内外的作用是相同的,研究人员为暗物质和暗能量的存在提供了更多的证据。图片:WGBH

      然而,由于这个研究小组发现,引力在太阳系之外的作用就像在太阳系内部一样,目前看来,我们对引力的理解是正确的,暗物质和暗能量仍然符合标准模型。这项研究并不是暗物质和暗能量的具体“证据”,但它提供了它们存在的额外证据。验证广义相对论太阳系以外的第一次,该研究小组使用强大的引力透镜效应,一种技术,大规模的对象——在这种情况下星系——就像一个巨大的透镜通过弯曲光线,背景对象的形象也一个星系,是扭曲的。这个天文学家小组使用了ESO 325-G004星系,因为它是离地球最近的透镜之一,距离地球只有5亿光年。如果这两个物体排列得很好,这种效应就会产生一圈图像,即背景星系的“爱因斯坦环”。这个环的半径“与光的偏转成正比,所以如果测量环的半径,可以测量时空的曲率。

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      哈勃太空望远镜拍摄的六幅不同的图像被一种叫做引力透镜的宇宙效应放大了,这些图像是由哈勃的广角摄像机拍摄的,添加颜色以突出星系中的细节。图片:NASA/ESA/J. Lowenthal (Smith College)

      除了测量时空曲线,研究人员还必须确定星系的质量,因为广义相对论预测了一个质量产生了多少曲率。他们通过测量星系的恒星运动的速度来计算这个质量。然后,通过将测量的质量与时空的测量曲率进行比较,研究小组发现了广义相对论对这个质量或星系的预测。所以现在,据我们所知:即使在太阳系之外,广义相对论也是正确的引力理论,这支天文学家团队希望研究更远的星系和透镜,进一步验证整个宇宙的重力作用是一样的。宇宙学和万有引力研究所所长,团队成员Bob Nichol在一份声明中说:用世界上最好的望远镜去挑战爱因斯坦,结果却发现他是多么的正确,这让人非常满足。这项研究发表在《科学》期刊上。

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