科學家探索宇宙奧秘 挑戰相對論(組圖)

2011-10-13 20:06

研究人員對大約8000個星系團發出的光進行測量分析。星系團是由引力維繫起來的星系集群，一般擁有數千個成員星系，圖像中每一個小光點就是一個星系。它們產生的強大引力場將會對它們自身發出的光產生影響。(網路圖片)

在此之前，對引力紅移的實際驗證還僅僅停留在地球和太陽系其它天體的範圍之內。(網路圖片)

天文學上所有的觀測都有賴於恆星和星系發出的光，而根據廣義相對論，這些發出的光線都將受到引力的影響。除此之外，對於這些天文學觀測信息的判讀也完全基於「相對論是正確的」這樣一個前提之上。但是在此之前，我們一直都缺乏在比太陽系更加宏觀的尺度上對相對論進行實驗驗證的能力。

現在丹麥哥本哈根大學尼爾斯·玻爾研究所暗宇宙學中心的科學家們首次成功測量了從遙遠星系團發出的光在抵達我們這裡之前的路途中所受到的引力影響。觀測的結果符合理論計算值，這也就驗證了相對論的正確性。研究小組已經將他們的這一成果發表在了近期的《自然》雜誌上。

人類對於遙遠宇宙中天體距離測量的主要手段是天體紅移測量，紅移的實質其實是一種多普勒效應，由於距離我們越遠的天體的退行速度越大，它便會表現出更大的紅移值。也就是說，紅移值表達了在天體發出這束光子之後，其本體由於宇宙膨脹產生的後退速度。另外，根據愛因斯坦的廣義相對論，這些光還會受到大質量天體，如星系團的引力影響，並產生引力紅移。然而，在宇宙尺度上對星光表現出的引力紅移進行精確的測量卻從未進行過。

哥本哈根大學尼爾斯·玻爾研究所暗宇宙學中心的天體物理學家拉迪克·伍德克(Radek Wojtak)說：「這真是太棒了！我們有幸生活在這樣一個時代，我們第一次有技術能力去對宇宙引力紅移效應進行測量。」

聚光燈下的星系團

伍德克和他的同事斯特恩·漢森(Steen Hansen)和詹斯·喬斯(Jens Hjorth)一起對大約8000個星系團發出的光波數據進行了分析。星系團是由引力維繫起來的星系集群，一般擁有數千個成員星系。它們聚合形成的強大引力效應會對它們發出的光產生影響。

研究人員分別對位於星系團核心區域以及邊緣區域的成員星系發出的光進行了研究，測量其波長數據。

伍德克解釋說：「我們能夠對星系發出的光顯示的微小紅移差異進行探測。我們發現從星系團中央部位發出的光幾乎是‘爬’著逃出星系團的引力場的，而相比之下，星系團邊緣位置的成員星系發出的光逃逸起來就要容易得多。」

隨後研究人員對整個星系團的總質量進行計算並由此估算出其引力勢。現在科學家們便能夠藉助這些數據，運用廣義相對論原理計算星系團不同位置上光線受到的引力紅移影響了。伍德克表示：「計算的結果顯示，基於廣義相對論進行的理論預測與實際觀測數值精確吻合。我們對於星系團的觀測顯示光表現出的紅移值和大質量天體引力場的強度呈反比關係。用這種方式，我們證明廣義相對論原理是在正確的。」

宇宙暗夜之光

這一發現具有重要意義，因為它將幫助科學家們理解宇宙中的「黑暗」——神秘的暗物質和暗能量。

當我們仰望星空，那漫天的繁星和望遠鏡中無數的星系、行星加在一起一共只構成了整個宇宙的4%，宇宙的其餘部分是由我們看不見也摸不著的神秘物質組成的，這就是暗物質和暗能量。我們無法觀察到它們，因為它們不發射也不反射光線。但是科學家們知道它們就在那裡，因為它們會對周遭空間產生相應的引力作用，我們能感知這種引力的存在。沒有人知道暗物質究竟是什麼，但是通過對其引力強度的觀測，我們知道它們的質量有多大。這一有關廣義相對論的威廉亚洲官网 研究將不會改變目前對於暗物質存在的理論模型。

宇宙的另一個重要組分是暗能量，根據理論模型，暗能量更加神秘，它就像是一種「真空」的存在，它加速宇宙的膨脹進程。根據基於愛因斯坦相對論的計算結果，宇宙中的暗能量應當佔到整個宇宙的72%。但是也有人拒絕相信這個奇怪的理論，提出了許多不藉助暗能量也能解釋宇宙加速膨脹事實的模型。

在大尺度上驗證理論

伍德克說：「現在我們已經在宇宙學的尺度上進行了驗證，這證明了愛因斯坦的廣義相對論是正確的。這也就意味著宇宙中存在暗能量的可能性很大。」從這個角度上來說，這項新的研究將讓人類在最終認識暗物質和暗能量的道路上又邁出堅實的一步，並加深我們對可見宇宙本質的理解。