愛因斯坦的引力理論面臨考驗！科學家首次檢驗恆星黑洞相遇中的相對論效應

20多年來，一組天文學家跟蹤了一顆恆星在銀河系中心的超大質量黑洞周圍以每小時2500萬公里的速度旋轉，相當於光速的3%。現在，研究小組表示，這次近距離接觸使阿爾伯特·愛因斯坦的引力理論對大質量物體進行了迄今為止最嚴格的測試，來自恆星的光線以牛頓引力無法規定的方式拉伸。在今天宣布的一項研究中，研究小組稱他們發現了愛因斯坦廣義相對論中一個與眾不同的指標——「引力紅移」。引力紅移指的是由於黑洞的強烈引力，恆星的光會失去能量。

「這真是令人興奮。加州大學洛杉磯分校(UCLA)的天文學家安德里亞·蓋茲(Andrea Ghez)說。「這是(對相對論的)直接檢驗，我們多年來都在為此做準備。」

這顆名為S2的恆星，除了高度橢圓形的軌道外，並不引人注目。這顆恆星距離銀河系中心的黑色黑洞約200億公里(17光年)，比任何已知的恆星都要近。萊因哈德甘澤爾領導的研究小組在馬克斯·普朗克地外物理研究所(MPE)來自德國,一直跟蹤S2自1990年代以來,第一次與歐洲南方天文台(ESO)3.6米望遠鏡新技術在智利阿塔卡馬沙漠,後來ESO的甚大望遠鏡(VLT),由四個8米級工具。Ghez在加州大學洛杉磯分校的團隊也開始用夏威夷的一對10米凱克望遠鏡觀察這顆恆星。

研究靠近星系中心的恆星是很困難的，因為塵埃和氣體的雲團阻擋了大部分恆星的光。但是，通過跟蹤它們在紅外波長下的軌道，研究小組已經能夠估算出中心黑洞人馬座A* (Sgr A*)的質量，大約是太陽質量的400萬倍。研究小組還發現，當S2在其16年的運行軌道中飛離Sgr A*最近時，極端的重力會使廣義相對論的效應被發現。

S2最近一次接近Sgr a *是在2002年，當時望遠鏡的精度還不足以進行必要的測量。這一次，隊伍準備好了。凱克和VLT現在都配備了自適應光學，可以實時改變形狀的柔性反射鏡，以補償地球大氣造成的畸變。歐洲研究小組還利用了四個VLT測定儀作為干涉儀，將它們的光線結合起來，達到了130米寬的望遠鏡的解析度。

對Genzel的團隊來說，這是一場為及時準備好其干涉儀器，即重力的競賽。「我們總是快到最後期限了。這對整個團隊來說是極大的壓力。

自3月以來，各小組在5月19日最接近S2的前後定期監測S2。通過圖像，他們可以跟蹤恆星在天空中的明顯路徑，通過分光儀，他們可以測量恆星在另一個維度上的速度——它的「徑向速度」——通過它的多普勒頻移。他們希望看到愛因斯坦預測的兩種效應。第一種是引力紅移，是光子從黑洞強烈引力場中逃逸時能量的降低。第二種被稱為相對論橫向多普勒效應——由愛因斯坦早期的特殊相對論理論預言——是一種紅移，當一個物體沿著視線的方向移動時發生。

在今天發表在《天文學與天體物理學》上的一篇論文中，Genzel的團隊報告了相對論效應的聯合作用，黑洞的重力紅移S2的徑向速度每秒200公里，這只是它整體速度的一小部分。結果與相對論的預測吻合，與牛頓引力理論不一致。MPE的成員Stefan Gillessen說:「我們對這個結果非常高興。」蓋茲說，她的團隊做出了一個深思熟慮的決定，推遲公布結果。「我們已經有了結果，將於9月份公布。她表示，我們希望看到「密切接觸」的所有階段。

廣義相對論以前曾多次在地球實驗和天體物理觀測中得到驗證，而且總是順利通過。最嚴格的測試包括對中子星和最近對合併黑洞的引力波觀測。但這些情況涉及的天體最多只有幾十個太陽質量。涉及Sgr A*的測試進入了極端引力場的領域。「這種質量尺度是未經測試的，」吉勒森說，物理學家們渴望看到相對論如何在這樣的條件下站起來。

這兩個團隊都預測愛因斯坦的理論會得到進一步的證實。「這是廣義相對論測試階梯上的第一步，」Gillessen說。在接下來的一兩年里，他們希望看到S2的發展軌跡與16年前的軌跡有輕微的偏離。這是由於相對論所預言的一種現象，稱為史瓦西歲差旋進，在這種現象中，恆星的軌道軸在每條軌道上都會發生微小的偏移。「我們已經開始看到它了，但還需要一兩年的時間才能使(數據)穩健起來，」Genzel說。

接下來的工作將是尋找其他更接近Sgr A*而不是S2的恆星。跟蹤它們的軌道可以使研究人員測量黑洞的自旋速率。越來越靈敏的儀器可能能夠探測到以光速一半的速度落入黑洞的物質以及從其兩極噴出的噴射物。吉勒森說:「我們只能夢想各種可能。」

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