阿尔伯特·爱因斯坦于1915年提出的广义相对论彻底改变了我们对引力的理解，他认为引力是由质量和能量引起的时空弯曲。一个多世纪以来，这一理论虽然通过各种实验和观测能在较小的尺度上得到验证，但主要都是在我们的太阳系内。
而在更大的宇宙尺度范围里，例如星团、星系、超星系团等尺度跨度动辄能达到数百、数万、甚至数十亿光年的天体，想要在它们身上验证广义相对论简直就是天方夜谭，这也一直都是物理学家和天文学家要面对的重大难题。
最近，观测技术的进步使科学家能够在大规模的天体上测试广义相对论。暗能量光谱仪（DESI）在这一研究中发挥了关键作用，科学家通过它绘制了近600万颗星系在110亿年的宇宙历史中的分布图，为支持爱因斯坦关于引力的预测提供了强有力的证据：即使在浩瀚的宇宙尺度上也是如此。
DESI是一种先进的天文仪器，安装在亚利桑那州基特峰国家天文台的尼古拉斯·U·梅厄尔4米望远镜上（Nicholas U. Mayall 4-meter Telescope）。它能通过同时捕捉来自星系和类星体的光来创建宇宙的三维地图，并且一次最多可观测5000个。这一能力使天文学家能够更好地研究宇宙结构在时间尺度上的分布和演化。
DESI的主要目标包括：
- 绘制宇宙结构：通过观察星系的位置和运动，DESI能够理解这些结构自早期宇宙以来是如何演变的。
- 研究暗能量：宇宙中约70%的能量内容归因于暗能量，这是一种神秘的力量，推动着宇宙的加速膨胀。因此，理解暗能量对于认识宇宙的命运至关重要。
- 测试引力理论：DESI为测试广义相对论提供了机会，研究引力如何影响星系形成和聚集。
方法论
DESI团队进行了一种“全形状分析”，以测量星系随时间聚集的方式。通过分析近600万颗星系和类星体的光，他们可以确定引力在宇宙尺度上的表现。这一分析涉及将观测数据与广义相对论的预测进行比较。
DESI的发现
验证广义相对论
通过来自DESI的观测结果我们可以确认，引力在巨大尺度上表现正如爱因斯坦理论所预测的一样。研究表明：
- 引力聚集星系：引力如何影响星系分布与爱因斯坦关于物质如何沿着宇宙网状结构聚集的预测一致。
- 跨时间的一致性：结果表明，引力在过去110亿年中持续塑造了宇宙结构，证明广义相对论不仅在局部有效，也适用于广阔距离。
对宇宙学的影响
这些发现具有深远意义：
- 限制替代理论：结果限制了试图解释宇宙膨胀率异常现象的替代引力理论。通过确认广义相对论的预测，研究人员可以排除许多修正引力理论。
- 理解暗能量：初步分析表明，暗能量可能并非恒定，而是随着时间演变。这一变化性质挑战了之前关于暗能量角色的不变假设。
中微子质量限制
除了验证广义相对论外，DESI的发现还发现了关于中微子质量的重要限制，中微子是已知最轻的粒子。DESI发现所有三种类型中微子的总质量必须介于0.059和0.071电子伏特之间，从而缩小了粒子物理学中的可能性。
更广泛背景：测试广义相对论
历史测试
自其诞生以来，广义相对论经历了多次测试：
- 太阳系测试：如光线绕过大质量物体（引力透镜）的弯曲，以及行星轨道的精确测量，一致地验证了爱因斯坦的预测。
- 引力波：从碰撞黑洞中检测到引力波进一步提供了支持广义相对论的证据。
大尺度挑战
尽管取得成功，但在宇宙尺度上测试广义相对论仍然面临挑战，因为：
- 宇宙变异性：宇宙带来的变异性使得测量变得复杂。
- 暗物质和暗能量：理解这些成分如何影响宇宙结构为测试引力量身定制增加了复杂性。
未来方向
DESI持续研究
DESI项目计划继续收集数据直到2025年，并计划绘制大约4000万个星系和类星体。即将进行的分析预计将提供关于暗能量和宇宙演化更精确的数据。
潜在发现
随着数据不断增加，研究人员希望揭示：
- 关于暗能量的新见解：进一步理解暗能量如何与引力相互作用可能会重新塑造我们关于宇宙膨胀的理论。
- 对广义相对论的细化：虽然当前发现支持爱因斯坦理论，但未来研究可能揭示需要修改或扩展我们理解的新细节。
结论
来自DESI的最新发现是验证爱因斯坦广义相对论的重要一步。通过绘制近600万颗星系在110亿年的时间跨度中的分布，科学家们确认，引力在浩瀚距离上依然如爱因斯坦方程所预测那样运作。随着后续研究的发展，我们正站在潜在转折性发现的边缘，这些发现可能会重新定义我们对宇宙学和引力本质的理解。