首個星系級的重力實驗︰廣義相對論再攻下一城

愛因斯坦廣義相對論的不敗紀錄又被刷新——有10位來自英美德的科學家在去年(2017)提交論文發表一個用於驗證廣義相對論的星系級實驗結果。

廣義相對論其中一個預言是「重力場會使光線偏折」。早在1919年，英國物理學家阿瑟‧愛丁頓爵士（Sir Arthur Eddington）曾經遠征西非的普林西比島，趁日全蝕時觀測被太陽重力場偏折的星光(見下圖)。愛丁頓爵士當年的觀測結果與廣義相對論的預測吻合，這讓愛因斯坦在全球一炮而紅、聲名大噪。
 

然而，在1919年之後包括水星的軌道進動 [1]、地球附近的時間延緩、脈衝雙星的螺旋軌道 [2] 等與廣義相對論相關的實驗其規模仍未突破恆星規模。直到99年後的今天，這10位天文物理學家組成的團隊才把廣義相對論的實驗從星球級一舉提升至星系級。這實驗的其中一個目的是驗證適用於恆星的廣義相對論是否也適用於星系；而另一個目的是，探索謎一般的暗物質和神秘的暗能量。

在這實驗中，他們利用了一個名為ESO 325–G004的星系。它位於半人馬座，距地球4億5千萬光年。它的背後有另一個數十億光年遠的星系，這遙遠的星系與ESO 325–G004 和地球這三者剛好連成一直線。

ESO 325–G004的重力場使它附近的時空扭曲，從該遙遠星系發出的光通過ESO 325–G004 的四周時就會因時空扭曲而被偏折。在ESO 325–G004四周不同位置偏折而成的像形成了愛因斯坦環。

顯示觀測者如何觀測到愛因斯坦環的示意圖

「愛因斯坦環的半徑取決於前方星系讓空間有多扭曲。」團隊中，來自英國樸茨茅夫大學的天文物理學家湯瑪士‧柯列德（Thomas Collett）解釋︰「我們的實驗背後的原理與1919年愛丁頓實驗的原理相同。兩者的分別是，愛丁頓實驗中，光繞過一粒星並偏移了數千哩，而我們的實驗中，光繞過一整個星系並偏移了6000光年。」

天文物理學家曾經用過各種方法測量星系造成的時空扭曲，但準確度都不及此實驗。測量時空扭曲時的誤差困擾了天文物理學界多時，因為在星系級的層面，我們仍有一些和廣義相對論不太相同的重力理論未被驗證或否證。

「我們的實驗的準確度是之前的 2 倍。」柯列德說。

準確度有所提升的原因是ESO 325–G004 足夠接近我們，使得位於智利的南歐洲天文台特大望遠鏡（European Southern Observatory’s Very Large Telescope）容許團隊以更高的解像度來測量星系中的恆星速度分佈。這次測量的解像能力強到可以測量出星系中，每個小於500光年的區塊中的恆星速度。這麼一來，團隊就可以更準確地推算出星系的質量分佈，由此計算愛因斯坦環的直徑，以確認廣義相對論的正確性 [3]。

就像當年愛丁頓實驗一樣，團隊的觀測結果與廣義相對論相符 [4]。這結果非常重要，因為它影響了科學家探索暗物質和暗能量的方向。

暗物質是一種無法看見的物質，它只能透過重力被偵測，但它的質量卻佔全宇宙的超過80%。暗能量是一種我們所知極少的力，它似乎與重力作對，使宇宙的膨脹一直加速。

由於在重力以外的其他領域中，仍未見到暗物質和暗能量的蹤影，所以有些物理學家開始懷疑它們的存在、開始想也許是廣義相對論出錯了。他們因此提出一些「修改過的重力理論」。

這些「修改過的重力理論」當中，有不少都認為重力在不同大小的空間標度中，會有不同的表現。但ESO 325–G004 的觀測結果似乎不同意這些理論。

「如果廣義相對論真的與事實偏離甚遠，那按照我們的實驗，至少這偏離不會發生在星系級大小的空間標度中。」柯列德補充，這實驗進一步鞏固了暗能量存在的可能性︰「很多理論都試圖不以暗能量來解釋宇宙的加速膨脹。我們的實驗結果則說，你很可能需要暗能量，縱使實驗結果並沒告訴你暗能量的本質是什麼。」

另一位來自坎培拉澳洲國立大學的天文物理學家布萊德‧塔格（Brad Tucker）雖然沒有參與是次實驗，但他也高度評價這實驗的重要性。
「很多人都說重力是一個宇宙定律（”the” law），你必須遵守它。」布萊德語帶諷刺地說。「——但這也是一個有待驗證的理論。」
小規模的驗證——例如在太陽系中的驗證——已經以高得驚人的準確度來證實了愛因斯坦的廣義相對論。但對於星系級的大規模實驗，布萊德這樣說︰「一直以來，大規模的實驗都很難，直到現在。」

他補充說，這研究的價值不單是廣義相對論的另一個驗證︰「它同時也是一塊試金石，一塊檢驗我們對於暗物質和暗能量理解的試金石。」

Note 1︰水星的軌道大致上是橢圓形的，而「進動」則指這個橢圓形會隨時間轉動。現有的理論中，廣義相對論最準確地預測進動的速度。
Note 2︰當兩個脈衝星（中子星）繞對方轉動時，廣義相對論預言它們會輻射出重力波，使它們的總能量減低，因而靠近對方。在具體觀測中，科學家發現它們不單止靠近對方，它們靠近對方的速率更與廣義相對論所說的相當吻合。

Note 3︰團隊考慮了這個關係式 M_dyn=(1+γ)M_GMlensing/2，其中 M_dyn 是根據恆星的速度分佈計算出來的星系質量，M_GMlensing 則是以重力透鏡的數據並按廣義相對論推算出的星系質量。而廣義相對論預言 γ 是1。團隊嘗試實際測量這兩個質量，以推論 γ 的值。

Note 4︰廣義相對論預測 γ 是1。而團隊測得的68% 置信區間是 γ=0.995 ±0.04 統計誤差±0.25(系統誤差)。
 

感謝Cosmos授權物理雙月刊翻譯本文並刊登於物理雙月刊網站及雜誌。
原文作者：Richard A. Lovett，編譯者︰文裕
原文刊登於Cosmos June/2018
https://cosmosmagazine.com/physics/after-99-years-einstein-s-general-relativity-confirmed-at-galactic-scale