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爱因斯坦又对了！天文学家首次观测到银河系中心黑洞周围恒星引力红移，与广义相对论预测吻合

百家作者：DeepTech深科技 2018-08-08 11:08:28

从时光机到宇宙漏斗，黑洞从来都是科幻小说中的常客。这种神秘的星体具有超强的引力，即使是传播速度极快的光子也逃不出黑洞的“魔掌”。

宇宙中存在许多这样的黑洞。但由于无法直接被观测，科学家只能通过观测黑洞周围的星体运动进行推测。而本次研究的黑洞，正是位于我们太阳系每 2.4 亿年公转一周的银河系中心。

这个位于银河系中心的黑洞距地球最近距离为 26000 光年。这一引力陷阱，具有太阳质量的 400 万倍，拥有银河系中最强的引力场，是探索重力物理学的绝佳场所。来自马克斯·普朗克太空物理学研究所（MPE）的研究团队 20 多年来持续观测黑洞“俘获”的一颗星体，该星体围绕着银河系中心的超大质量黑洞旋转，其时速高达 8000 km/s，约光速的 3％。最近，该团队在《Astronomy & Astrophysics》上发表的文章，展示了其引力红移观察结果与爱因斯坦广义相对论 100 年前预测的结果吻合。这一引力红移的发现通过智利的欧洲南方天文台（ESO）观测得到。

图 | 引力透镜模拟的黑洞（图源：Wikipedia）

为了观察银河系的中心，天文学家使用了高精度的仪器，包括 Gravity, Sinfoni 和 Naco。现在，研究者正将他们的注意力集中在名为 S2 的星体上，追踪它绕黑洞的运行轨迹，这一轨迹在几周前变得离黑洞特别的近。在今年 5 月 19 日，S2 与黑洞达到最近距离，大约为 140 亿公里。

星体与黑洞的“第二次亲密接触”

这颗名为 S2 的星体本身并没有什么特别之处。但是，它的轨道与银河系中心黑洞的距离是所有目前已知的星体中最接近的银河系中心黑洞的。光从 S2 传播到黑洞只需 17 个小时。Reinhard Genzel 在德国 MPE 带领的团队自 1990 年代就开始观测 S2 星体，他们最开始使用的是欧洲南方天文台（ESO）的 ESO 3.6 米望远镜，后来使用 ESO 的甚大望远镜（VLT），该望远镜由 4 台相同的 8.2 米口径望远镜组成。

S2 在一个高度偏心的轨道上绕黑洞运行，周期约 15-16 年。S2 距黑洞最近距离相当于从太阳到海王星距离的 4 倍多，从太阳到地球距离约 120 倍。该距离相当于黑洞史瓦西半径的 4 倍。在史瓦西半径内的物体，即使加速到接近光速，也没有办法逃离黑洞。

图 | S2 在银河系中心超大质量黑洞 Sgr A* 附近运行轨道（图源：ESO）

研究靠近银河系中心的星体是很困难的，因为尘埃和气体会阻挡大部分星体的光线。但是观测团队通过红外线已经能够估算出银河中心黑洞“射手座 A*（Sgr A*）”的质量，大约是太阳的 400 万倍。

科学家将 Gravity 和 Sinfoni 最近对 S2 位置和速度的观测结果和之前对 S2 的观测结果与牛顿力学预测和爱因斯坦的广义相对论预测进行对比。事实证明，新的结果与牛顿的预测不吻合，而更接近爱因斯坦的预测。

“这是我们第二次观测到 S2 经过银河系中心黑洞的最近位置。但是这次，设备有了大幅提升，我们终于可以以前所未有的清晰度观测细节。”Genzel 说，他还是这次国际研究团队的负责人。

上次 S2 经过黑洞最近位置时间是在 2002 年。而早在 2002 年之前追溯至 20 世纪，科学家就持续在对 S2 进行观测。但那时的天文望远镜不够精确，无法进行必要的测量。但是这一次，观测团队做好了准备。凯克望远镜和 ESO 超大型望远镜现在都配备了自适应光学系统和可以实时改变形状的柔性镜片，以补偿地球大气层造成的曲变。Reinhard Genzel 团队还可以使用四个 ESO 超大型望远镜作为光学干涉仪，将它们的光线组合在一起可以达到与口径 130 米的望远镜等效的分辨率。在这一分辨率的观测下，科学家甚至能隐约看到黑洞周围的微光。

图 | ESO 甚大望远镜 Gravity

UCLA 的 Andrea Ghez 带领团队差不多在同一时间开始观测 S2，他们使用的是夏威夷的两台口径 10 米的凯克望远镜。她说：“这个观察结果令人兴奋，这是对相对论的直接测试，我们两个队伍为这一天的到来做了多年的准备。”

新的测量清晰的呈现了引力红移，观测到的波长与爱因斯坦广义相对论预测的波长精确吻合。这是第一次研究者观测到与牛顿重力理论存在偏差的绕超大质量黑洞运行恒星观测结果。

引力红移是指，光波或者其他波动从引力场源（如巨大星体或黑洞）远离时，整体频谱会发生“频率变低，波长增长”的现象。之所以称为“红移”，并不是星体真的变红，而是向频谱中长波长端偏移。我们知道，红色端与紫色端相比，波长更长，频率更低。这一现象是牛顿力学无法解释的。

“我们 2 年前第一次通过 Gravity 观测到 S2, 那时的观测结果就显示了银河系的中心存在一个完美的黑洞实验室，”马克斯·普朗克太空物理学研究所 Gravity 和 Sinfoni 的首席研究员 Frank Eisenhauer 说。在 S2 接近黑洞的过程中，即使是黑洞周围的微弱光晕也可以在大多数图像上被检测到。“通过这种方式，我们可以以高精确度追踪 S2 的轨道，并最终为 S2 光谱的引力红移提供证据。”

视频中黄色轨道为本次观测星体 S2 绕黑洞轨道

团队使用 Sinfoni 测量 S2 相对地球的速度。天文学家通过 Gravity 测量 S2 位置变化，及其精确的轨道形状。显微镜发射的光通过合并和重叠，通过重力和光干涉共同生成了十分清晰的图像。在这个图像中，星体的运动可以持续被追踪，因此在 26000 光年外的地球上我们可以看到该星体经过距黑洞最近的状况。

对于 Genzel 的团队来说，要及时准备好名为 GRAVITY 的光学干涉仪就意味着与时间赛跑。Genzel 说：“我们团队总是被 deadline 赶着跑，其实压力真的很大。”

S2 星体在 5 月 19 日最接近银河系中心黑洞，自今年 3 月以来，两个团队就开始定期观测。他们可以通过图像追踪恒星在天空中的路径，通过使用光谱仪测量其靠近或远离地球的径向速度。他们希望看到爱因斯坦预测的两种现象，一种是“引力红移”，这是光子逃离黑洞的强烈引力场时发生的能量损失造成的。第二种是爱因斯坦早期的狭义相对论预测的红移现象，称为相对论横向多普勒效应，在物体向视线切向移动时发生。

广义相对论从未失败

Genzel 的研究小组表示观测到了相对论的综合作用，黑洞的引力使 S2 的径向速度超过了每秒 200 公里，尽管与其总体速度相比只是很小的一部分。MPE 的团队成员 Stefan Gillessen 说：“我们对结果感到非常高兴。”而 Ghez 的团段表示将继续观测并于 9 月公布观测结果。

在 1915 年首次发表的广义相对论通过相对性原理用集合语言描述了自然界引力的本质。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性，而时空的曲率则通过爱因斯坦场方程和处于其中的物质及辐射的能量与动量联系在一起。

目前，科学家已经对广义相对论的预测进行了多次测试，包括实验室测试、太阳系测试以及双脉冲星系统。而截至目前，所有的这些测试结果都与广义相对论的预测一致。换句话说，这些结果说明广义相对论精确的描述了自然界中任何情境下的引力场。

然而，科学家还在继续对广义相对论进行评估以确保它能应用于任意情境。这些实验可为未来解决更大的物理问题提供思路，例如如何将广义相对论（常描述超大型物体）和量子力学（常描述极小物质）结合在一起。

“在黑洞周围的强引力场中，我们希望能够看到相对论效应——但是只有当我们有足够精密的观察手段的时候，这一想法才能实现。”马克斯·普朗克太空物理学研究所的 Stefan Gillessen 说。“正是因为这一点，我们必须要不断的更新我们的观测技术。”

图 | 银河系中心黑洞附近的星体运行轨道图，未来 S2 可能会跌入黑洞（图源：ESO）

在地球实验和天体物理观测中，广义相对论已经被多次测试过，此前最严格的测试包括成对的中子星和最近观测到的引力波。但是这些测试所涉及的天体质量最多只有太阳的几十倍，不像 Sgr A* 黑洞能够引入极端引力场，Gillessen 说：“这种极端大的质量还从没有被测试过，物理学家都很想知道广义相对论在这种条件下将如何成立。”

在广义相对论的文章发表超过 100 年后，爱因斯坦又一次被证明是对的——在一个比他可以想象到的大得多的极端实验室中。物理学家们一直在以不同方式对广义相对论进行验证，但任何形式的“反例”到目前都仍未出现。

两个团队都预测爱因斯坦理论将被进一步证实。Gillessen 说：“这是广义相对论系列测试的第一步，”在接下来的一两年里，两个团队希望观测到 S2 的路径与 16 年前的路径相比发生微小变化。这是相对论所预测的名为史瓦西进动（Schwarzschild precession）的现象，这种现象使得恒星轨道在每次公转时都发生细微改变。Genzel 说：“我们已经开始观测到这一现象了，但是还要一两年才能得到足够有力的数据”。

图 | Karl Schwarzschild，与爱因斯坦同时代的物理学家，他提供了第一个广义相对论爱因斯坦方程的精确解。（图源：Wikipedia）

观测团队接下来将寻找比 S2 更接近 Sgr A* 黑洞的恒星。跟踪它们的轨道可以使研究人员测量黑洞的旋转速率。而且将来更灵敏的仪器或许能够观测到物质以 1/2 光速跌入黑洞以及黑洞两极的相对论性喷流现象。现在一般认为相对论性喷流的直接成因是中心星体吸积盘表面的磁场沿着星体自转轴的方向扭曲并向外发射，因而当条件允许时在吸积盘的两个表面都会形成向外发射的喷流。如果喷流的方向恰巧和星体与地球的连线一致，由于是相对论性粒子束，喷流的亮度会因而发生改变。目前，科学家对相对论性喷流的形成机制和物理成分仍然具有争议。

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编辑：戴青，火爆麻雀

参考：

http://www.sciencemag.org/news/2018/07/star-s-black-hole-encounter-puts-einstein-s-theory-gravity-test

https://www.eso.org/public/news/eso1825/