引力，是已知四种基本力中最弱的一种力，在宇宙的演化过程中扮演着至关重要的角色。正是由于引力的作用，早期宇宙中的物质才可以聚集在一起，形成今天我们看到的星系、恒星以及行星（比如地球）。
但究竟什么是引力？根据爱因斯坦的广义相对论，引力实际上是大质量物体扭曲时空结构的结果。这就意味着，由于大质量天体会弯曲时空，那么当光线经过该天体附近时就会发生偏折，而不沿直线传播。1919年，爱丁顿（Arthur Eddington）通过对日食的观测验证了这一想法，这是广义相对论的第一个观测证据。
○ 1919年，天文学家爱丁顿对日全食的观测结果显示，广义相对论完美地描述了星光在大质量物体附近发生了偏折，从而推翻了牛顿引力的图景。| 图片来源：The Illustrated London News, 1919
自1915年广义相对论被提出以来，它已经在太阳系中被非常严格的检验过了。但是，要想在单个星系那样的尺度上精确地验证广义相对论却是非常困难的。现在，一项发表在《科学》杂志的最新研究表明，广义相对论同样适用于整个星系范围的尺度。此次的新发现强化了宇宙学中的一个流行观点，即95％的宇宙都是由暗物质和暗能量组成的，这也就排除了几个与之竞争的其他理论。
那么，研究人员是如何在星系尺度上检验爱因斯坦的理论呢？
上面我们提到了光线经过恒星的时候会发生偏折，而比恒星更大的天体，比如星系、类星体或星系团，引力不仅仅会偏折光线，还能表现的像透镜一样，这种现象被称为“引力透镜效应”。
○ 引力透镜是爱因斯坦的引力理论中一个重要的预言。整个系统包括：观测者（Earth）、前景星系（Foreground galaxy）和遥远的背景星系（Distant galaxy）。| 图片来源：Herschel ATLAS Gravitational Lenses
此次天文学家所观测的目标星系是距离地球4.5亿光年的ESO 325-G004星系（简称为E325），我们将该星系称为“前景星系”（充当透镜）。E325正好处于地球和另一个更遥远的星系（即背景星系）之间。当这两个星系完美对齐时，那么从背景星系发出的光线会在前景星系周围的弯曲时空中偏折，因此我们会看到背景星系的多重图像。下图所显示的正是哈勃太空望远镜观测到的这一效应，我们可以看到它形成了一个所谓的“爱因斯坦环”。从该环的大小，我们就能推断出在E325周围的空间曲率有多大，进而计算出星系的质量。
○ 星系ESO325-G004。消除掉来自星系本身的光后，一个蓝色的爱因斯坦环出现在图片中心。| 图片来源：NASA / Hubble
此外，研究人员也通过观测恒星在E325星系中的移动速度，测量了E325的质量。与地球绕着太阳运行类似，E325中的恒星围绕着星系的质心转动，引力将它们维持在轨道中。星系中的质量越大意味着引力越强，所以恒星的运动速度也就越快。
为了测量它们的速度，研究人员运用了“多普勒效应”，这是一种由于运动引起的波的拉伸或挤压。例如公路上的雷达测速摄像头就是利用多普勒效应，通过检测从车辆反射回的无线电波的频率变化来测量车速。以相似的方式，研究人员测量了从恒星发出的光线频率变化，从而估算出它们的速度。朝向我们移动的恒星所发出的光线会略微偏移至蓝光波段（蓝移），而远离我们的恒星所发出的光则会偏至红光波段（红移）。它们移动得越快，蓝移或红移也越严重。
但是E325距离我们实在太遥远了，因此研究人员无法测量单个恒星的多普勒效应。他们测量了一片区域里的恒星所发出的光线，再通过统计方法对不同恒星的速度进行估算。这些观测数据是通过智利的甚大望远镜（VLT）探测到的。
○ 甚大望远镜与月落。| 图片来源：G. Gillet / ESO
一旦测得了恒星的速度和“爱因斯坦环”的半径，我们就可以对这两种方法得出的星系质量进行比较。如果爱因斯坦是对的，那么得出的两个结果应该是一样的。结果表明，两个值之间的比值为0.97 ± 0.09，这与预期中的等于1相一致。尽管科学家以前曾经做过类似的测量，但从未取得过当前结果所达到的精确度。
为什么我们如此关心爱因斯坦的理论是对还是错呢？实际上它事关重大！我们对宇宙学的理解大部分依赖于对宇宙观测结果的解释，而这必须建立在广义相对论是正确的前提之下。一旦广义相对论不成立，那么宇宙学就会陷入真正的危机。
根据现代宇宙学的标准模型，宇宙中的绝大多数物质是由暗物质和暗能量组成的。若要能解释星系中恒星的运动，我们就需要暗物质。虽然我们无法直接探测到它们，但我们可以观测到它对恒星产生的引力作用。同时，天文学家在上个世纪就发现宇宙不仅在膨胀，而且是在加速！为了解释该现象，科学家提出了所谓的“暗能量”。
科学家也试图提出其他的引力理论来解释这些神秘物质。它们通常会调整引力在远距离上的作用，从而不需要依靠暗能量就能解释观测到的结果。但是新结果却表明，引力的行为在6500光年的尺度上仍与广义相对论的预期一致。这一结果对那些替代理论是很不利的。
此次的研究不仅验证了爱因斯坦的理论，而且还表明了无论暗能量和暗物质是什么，它们都是真实存在的；又或者说，若广义相对论还需要被修正，则要在比星系更大的尺度上进行。
参考来源：
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