廣義相對論再下一城:首個星系級的重力實驗

廣義相對論再下一城:首個星系級的重力實驗
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我們想讓你知道的是

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。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。

原文作者:Richard A. Lovett
編譯者︰文裕

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年)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。

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Sir Arthur Eddington (From Wikimedia Commons)
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1919觀察到的日全蝕(Photo credit: F. W. Dyson, A. S. Eddington, and C. Davidson)
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愛丁頓在1919年的一次日全蝕中,成功觀測本應被太陽擋住的星光。

然而,在1919年之後包括水星的軌道進動(註1)、地球附近的時間延緩、脈衝雙星的螺旋軌道(註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。

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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6,000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(註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(註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),雖然沒有參與此次實驗,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。」

註釋:

  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。
  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。
  3. 團隊考慮了這個關係式Mdyn=(1+γ)MGMlensing/2,其中Mdyn是根據恆星的速度分佈計算出來的星系質量,MGMlensing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。
  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

本文經物理雙月刊授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航


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