在另一個星系，驗證愛因斯坦的理論
引力，是已知四種基本力中最弱的一種力，在宇宙的演化過程中扮演著至關重要的角色。正是由於引力的作用，早期宇宙中的物質才可以聚集在一起，形成今天我們看到的星系、恆星以及行星（比如地球）。
但究竟什麼是引力？根據愛因斯坦的廣義相對論，引力實際上是大質量物體扭曲時空結構的結果。這就意味著，由於大質量天體會彎曲時空，那麼當光線經過該天體附近時就會發生偏折，而不沿直線傳播。1919年，愛丁頓（Arthur Eddington）通過對日食的觀測驗證了這一想法，這是廣義相對論的第一個觀測證據。
○ 1919年，天文學家愛丁頓對日全食的觀測結果顯示，廣義相對論完美地描述了星光在大質量物體附近發生了偏折，從而推翻了牛頓引力的圖景。| 圖片來源：The Illustrated London News, 1919
自1915年廣義相對論被提出以來，它已經在太陽系中被非常嚴格的檢驗過了。但是，要想在單個星系那樣的尺度上精確地驗證廣義相對論卻是非常困難的。現在，一項發表在《科學》雜誌的最新研究表明，廣義相對論同樣適用於整個星系範圍的尺度。此次的新發現強化了宇宙學中的一個流行觀點，即95％的宇宙都是由暗物質和暗能量組成的，這也就排除了幾個與之競爭的其他理論。
那麼，研究人員是如何在星系尺度上檢驗愛因斯坦的理論呢？
上面我們提到了光線經過恆星的時候會發生偏折，而比恆星更大的天體，比如星系、類星體或星系團，引力不僅僅會偏折光線，還能表現的像透鏡一樣，這種現象被稱為「引力透鏡效應」。
○ 引力透鏡是愛因斯坦的引力理論中一個重要的預言。整個系統包括：觀測者（Earth）、前景星系（Foreground galaxy）和遙遠的背景星系（Distant galaxy）。| 圖片來源：Herschel ATLAS Gravitational Lenses
此次天文學家所觀測的目標星系是距離地球4.5億光年的ESO 325-G004星系（簡稱為E325），我們將該星系稱為「前景星系」（充當透鏡）。E325正好處於地球和另一個更遙遠的星系（即背景星系）之間。當這兩個星系完美對齊時，那麼從背景星系發出的光線會在前景星系周圍的彎曲時空中偏折，因此我們會看到背景星系的多重圖像。下圖所顯示的正是哈勃太空望遠鏡觀測到的這一效應，我們可以看到它形成了一個所謂的「愛因斯坦環」。從該環的大小，我們就能推斷出在E325周圍的空間曲率有多大，進而計算出星系的質量。
○ 星系ESO325-G004。消除掉來自星系本身的光後，一個藍色的愛因斯坦環出現在圖片中心。| 圖片來源：NASA / Hubble
此外，研究人員也通過觀測恆星在E325星系中的移動速度，測量了E325的質量。與地球繞著太陽運行類似，E325中的恆星圍繞著星系的質心轉動，引力將它們維持在軌道中。星系中的質量越大意味著引力越強，所以恆星的運動速度也就越快。
為了測量它們的速度，研究人員運用了「多普勒效應」，這是一種由於運動引起的波的拉伸或擠壓。例如公路上的雷達測速攝像頭就是利用多普勒效應，通過檢測從車輛反射回的無線電波的頻率變化來測量車速。以相似的方式，研究人員測量了從恆星發出的光線頻率變化，從而估算出它們的速度。朝向我們移動的恆星所發出的光線會略微偏移至藍光波段（藍移），而遠離我們的恆星所發出的光則會偏至紅光波段（紅移）。它們移動得越快，藍移或紅移也越嚴重。
但是E325距離我們實在太遙遠了，因此研究人員無法測量單個恆星的多普勒效應。他們測量了一片區域里的恆星所發出的光線，再通過統計方法對不同恆星的速度進行估算。這些觀測數據是通過智利的甚大望遠鏡（VLT）探測到的。
○ 甚大望遠鏡與月落。| 圖片來源：G. Gillet / ESO
一旦測得了恆星的速度和「愛因斯坦環」的半徑，我們就可以對這兩種方法得出的星系質量進行比較。如果愛因斯坦是對的，那麼得出的兩個結果應該是一樣的。結果表明，兩個值之間的比值為0.97 ± 0.09，這與預期中的等於1相一致。儘管科學家以前曾經做過類似的測量，但從未取得過當前結果所達到的精確度。
為什麼我們如此關心愛因斯坦的理論是對還是錯呢？實際上它事關重大！我們對宇宙學的理解大部分依賴於對宇宙觀測結果的解釋，而這必須建立在廣義相對論是正確的前提之下。一旦廣義相對論不成立，那麼宇宙學就會陷入真正的危機。
根據現代宇宙學的標準模型，宇宙中的絕大多數物質是由暗物質和暗能量組成的。若要能解釋星系中恆星的運動，我們就需要暗物質。雖然我們無法直接探測到它們，但我們可以觀測到它對恆星產生的引力作用。同時，天文學家在上個世紀就發現宇宙不僅在膨脹，而且是在加速！為了解釋該現象，科學家提出了所謂的「暗能量」。
科學家也試圖提出其他的引力理論來解釋這些神秘物質。它們通常會調整引力在遠距離上的作用，從而不需要依靠暗能量就能解釋觀測到的結果。但是新結果卻表明，引力的行為在6500光年的尺度上仍與廣義相對論的預期一致。這一結果對那些替代理論是很不利的。
此次的研究不僅驗證了愛因斯坦的理論，而且還表明了無論暗能量和暗物質是什麼，它們都是真實存在的；又或者說，若廣義相對論還需要被修正，則要在比星系更大的尺度上進行。
參考來源：
https://theconversation.com/how-we-proved-einstein-right-on-galactic-scales-and-what-it-means-for-dark-energy-and-dark-matter-98481
http://science.sciencemag.org/content/360/6395/1342
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