致敬愛因斯坦：廣義相對論在星系尺度的精確檢驗

中科院青促會 魏俊傑、吳雪峰

（中科院紫金山天文台）

評述論文：A precise extragalactic test of General Relativity（SCIENCE 22 JUNE 2018: Vol 360, Issue 6395）

引力透鏡效應是愛因斯坦廣義相對論成功預言的現象之一，當光源發出的光經過大質量天體時，光線受到引力場的作用會發生彎曲，使得觀測者沿著彎曲光線的方向看到背景光源的多重像。強引力透鏡效應一般可形成多重像，甚至當背景光源、透鏡天體與觀測者剛好處在一條直線上時，觀測者可看到因光線偏折而使得光源呈現環形的現象，即愛因斯坦環。愛因斯坦環的半徑（簡稱愛因斯坦半徑）大小與透鏡天體的質量、單位質量引起的空間彎曲（一般用後牛頓參數γ值表徵）、觀測者—透鏡天體—光源三者之間的角直徑距離比值有關。其中角直徑距離比值可由透鏡天體、背景光源的紅移信息以及宇宙學參數計算得到。由於廣義相對論預言γ值恆為1，因此通過測出透鏡星系的質量和愛因斯坦半徑，人們就可以限制γ值，從而檢驗廣義相對論是否正確。

在太陽系的尺度上，廣義相對論關於γ值的預言已被高精度驗證。卡西尼宇宙飛船通過測量無線電波（低頻光子）穿越太陽引力場的飛行時間，驗證了γ值在十萬分之一精度上與廣義相對論預言一致。但是截止到目前，廣義相對論的河外檢驗精度卻並不是很高。在10到100Mpc（1 Mpc約為326萬光年）的尺度上，通過結合弱引力透鏡和紅移空間畸變的測量得到的γ值限制精度僅為20%。在Mpc的尺度上，通過分析星系團的質量分布得到的γ值限制精度僅為30%。在kpc（1kpc約為3千多光年）的尺度上，科學家們則主要是利用強引力透鏡星系及其內部的恆星運動學觀測來限制γ值。我國學者朱宗宏教授及其團隊利用80個強引力透鏡星系樣本限制得到γ=0.995+/-0.250。

圖1.ESO 325-G004的彩色合成圖像。插圖展示的是扣除透鏡天體星光之後的透鏡化背景光源的光弧（愛因斯坦環）。比例尺的單位為角秒。

在本期科學雜誌中，由歐洲學者牽頭的國際合作團隊報道了一個近鄰的強引力透鏡星系ESO 325-G004（簡稱E325）可提供在kpc尺度上檢驗廣義相對論的理想實驗平台。哈勃空間望遠鏡在監測E325時，偶然發現在該星系中心區域存在一個半徑為2.95角秒的愛因斯坦環（圖1）。後隨觀測證實其背景光源是一個產星星系，紅移為2.1。E325可精確檢驗廣義相對論的主要原因有：首先，E325的距離較近（紅移為0.035），使得科學家們能夠獲取星系內恆星運動的空間分辨光譜測量，從而可以準確地限制該星系的三維質量結構；其次，E325有一個延展光弧系統，可以很好地用來限制透鏡星系的二維表面質量分布；最後，E325近距離又意味著愛因斯坦環是處在透鏡星系裡由重子佔主導的中心區域，暗物質的不確定分布對其影響甚微。通過重構E325的透鏡化光弧和恆星運動學分布，該研究精確限制了γ值。E325的高解析度數據使得科學家們能夠很好地擬合其密度分布和各向異性分布，從而準確扣除這些分布所引起的影響γ值限制精度的系統誤差。在68%的置信度內，該研究得到γ=0.97+/-0.09。該研究結果表明大幅度偏離γ=1的情形僅可能發生在大於~2 kpc的尺度上，進而在星系尺度排除了其他預言γ不等於1的引力理論。該工作在星系尺度上精確驗證了廣義相對論的正確性，是對愛因斯坦的又一重要致敬！

*本文僅代表作者本人觀點，不代表Science科學雜誌及AAAS美國科學促進會觀點。

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