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S0-2恒星最接近銀河系中心的超大質量黑洞圖片來源：Nicolle R。 Fuller
來源：中國科學報
現在，研究人員在銀河星系中心巨大黑洞的附近進行了最全面的廣義相對論測試。
美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)物理學和天文學教授Andrea Ghez研究組在7月25日的《科學》上發表報告，支持了愛因斯坦的廣義相對論。
“我們的結論是，愛因斯坦是對的，至少目前來看是這樣。”該論文通訊作者、UCLA物理與天文學系的Tuan Do在接受《中國科學報》采訪時說，“我們正在測試的一項廣義相對論的內容是，光在黑洞強引力下的行為。”
Do提到，廣義相對論認為，當光從恒星向我們傳播時，它將失去能量。能量的損失意味著光變得更紅，這就是為什么它被稱為引力紅移。“我們測量到的紅移與廣義相對論的預測是一致的，但與牛頓關于引力的預測非常不同。”
Ghez也表示，“我們完全可以排除牛頓引力定律，不過愛因斯坦的理論無疑也顯示出脆弱性，它不能完全解釋黑洞內部的引力。在某種程度上，我們需要超越愛因斯坦的理論，建立一個更全面的引力理論，解釋黑洞是什么。”
廣義相對論是“最好描述”
愛因斯坦1915年提出的廣義相對論認為，我們所感知的重力來自時空曲率，像太陽和地球這樣的物體會改變幾何形狀。
以幾何語言建立而成的廣義相對論，不僅預言了引力波的存在，還推導出某些大質量恒星會終結為一個黑洞——時空中的某些區域發生極度扭曲以至于連光都無法“逃逸”。
Ghez提到，在愛因斯坦發表廣義相對論100多年后，這一理論開始受到質疑。
“實際上，人們并不是真的在懷疑廣義相對論，而是這個理論不完整。”Do說，“我們知道廣義相對論很難描述非常小但重力非常大的物體，比如黑洞。這就是為什么我們想要測試廣義相對論關于黑洞的預測。”
通過在這些極端環境下的測試，研究人員希望可以看到是否有某些測量值會偏離廣義相對論。“這將為我們提供新的物理線索。”Do說。
無論如何，Ghez認為，現在看來，愛因斯坦的理論是對引力如何起作用的最好描述。
黑洞具有超強引力，也被認為是檢驗廣義相對論強引力場理論的“完美實驗室”。因此，Ghez團隊對超大質量黑洞附近的現象進行了直接測量，Ghez將其描述為“極端天體物理學”。
拿到入場券
Ghez的團隊觀察一顆被稱為S0-2的恒星在銀河系中心超大質量黑洞周圍的三維空間中走完一個完整軌道的情況。S0-2走完整個軌道需要16年，而該黑洞的質量大約是太陽的400萬倍。
之所以選擇S0-2有數個原因。Do提到，它是黑洞附近最亮的恒星之一，且周期很短，只有16年。“這意味著我們能夠得到關于這顆恒星的大量數據。”他說。
而且，到目前為止，它是唯一一顆擁有多個軌道光譜測量數據的恒星，S0-2的第一個光譜數據來自2000年。
研究人員在恒星離這個巨大黑洞最近時采集了關鍵數據。這個被Ghez描述為來自恒星的“光彩虹”的光譜，顯示了光的強度和恒星的組成，并提供了關于光從恒星傳播的重要信息。Ghez團隊還將這些數據與過去24年中所做的測量數據進行了結合。
此外，由該校James Larkin領導的團隊在UCLA建造的光譜儀上，利用夏威夷凱克天文臺收集的光譜，以之前無法達到的精度揭示了S0-2的運動。研究人員在凱克天文臺拍攝的恒星圖像提供了另外兩個維度。
“S0-2的特別之處在于它的完整軌道是三維的。”Ghez說，“這給了我們進入廣義相對論測試的‘入場券’。我們了解了引力在超大質量黑洞附近的行為，以及愛因斯坦的理論是否告訴了我們全部的‘故事’。看到恒星走完整個軌道，為測試基礎物理學提供了第一個機會。”
最詳細研究
這個實驗依賴于能夠非常精確地測量S0-2環繞超大質量黑洞的軌道，以測量廣義相對論對恒星的影響。“我們需要24年的所有數據來了解這個軌道的牛頓性質，以確保我們所看到的紅移偏差確實是由廣義相對論造成的。”Do說。
研究人員研究了從S0-2到地球的光子。在離黑洞最近的時候，S0-2以每小時1600多萬英里的驚人速度繞著黑洞運動。愛因斯坦曾認為，在靠近黑洞的這個區域，光子必須做額外的工作。它們離開恒星時的波長不僅取決于恒星移動的速度，還取決于光子為逃離黑洞強大的引力場而消耗的能量。
最終，研究人員檢測了相對論紅移和重力紅移的組合，并用紅移參數y進行量化。得出的結果y=0.88±0.17，與廣義相對論(y=1)相吻合，排除了牛頓模型(y=0)，統計學標準偏差值為5。
Ghez研究組還研究了超大質量黑洞附近的時空混合。“在牛頓萬有引力理論中，空間和時間是分開的，不能混合在一起，而在愛因斯坦的理論下，它們在黑洞附近完全混合在一起。”她說。
這項工作也被認為是迄今為止對超大質量黑洞和愛因斯坦廣義相對論進行的最詳細的研究。
美國國家科學基金會天文科學部主任Richard Green說：“要想測量出如此重要的天文現象，需要多年的耐心觀察，而最先進的科學技術使之成為可能。”
凱克天文臺主任Hilton Lewis稱，Ghez是天文臺最熱情、最頑強的用戶之一，“她最新的突破性研究，是過去20年來堅定致力于解開銀河系中心特大質量黑洞之謎的結晶”。
實際上，去年夏天，Ghez就有機會發表部分數據，但是為了讓團隊先全面分析數據，她選擇不發表。
“我們正在學習重力是如何作用的。它是4種基本力量之一，也是我們測試最少的一種。有很多問題我們還沒有問，比如重力是如何在這里工作的?”Ghez 說，“我們很容易過于自信，有很多方法會誤讀數據，很多小錯誤會累積成大錯誤，這就是為什么我們沒有匆忙進行分析。”
下一步，研究人員計劃測試廣義相對論預測的時空特性。“我們的目標是測量S0-2的進動，或者說軌道的旋轉。牛頓引力預測恒星在走完一個軌道后會回到相同的位置，但是在廣義相對論中，恒星軌道進動，所以它會回到一個稍微不同的位置。通過觀測未來幾年S0-2的位置，我們應該能夠探測到這種差異。”Do說。
未來，研究人員希望能利用其他的星星。Ghez最感興趣的恒星是S0-102，它的軌道最短，繞黑洞運行一周需要11年半。相比之下，Ghez研究的其他大多數恒星走完軌道的時間比人類的壽命長得多。
