愛因斯坦又對了！天文學家觀測到銀河系中心黑洞周圍恆星引力紅移

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從時光機到宇宙漏斗，黑洞從來都是科幻小說中的常客。這種神秘的星體具有超強的引力，即使是傳播速度極快的光子也逃不出黑洞的「魔掌」。

宇宙中存在許多這樣的黑洞。但由於無法直接被觀測，科學家只能通過觀測黑洞周圍的星體運動進行推測。而本次研究的黑洞，正是位於我們太陽系每 2.4 億年公轉一周的銀河系中心。

這個位於銀河系中心的黑洞距地球最近距離為 26000 光年。這一引力陷阱，具有太陽質量的 400 萬倍，擁有銀河系中最強的引力場，是探索重力物理學的絕佳場所。來自馬克斯·普朗克太空物理學研究所（MPE）的研究團隊 20 多年來持續觀測黑洞「俘獲」的一顆星體，該星體圍繞著銀河系中心的超大質量黑洞旋轉，其時速高達 8000 km/s，約光速的 3％。最近，該團隊在《Astronomy & Astrophysics》上發表的文章，展示了其引力紅移觀察結果與愛因斯坦廣義相對論 100 年前預測的結果吻合。這一引力紅移的發現通過智利的歐洲南方天文台（ESO）觀測得到。

圖 | 引力透鏡模擬的黑洞（圖源：Wikipedia）

為了觀察銀河系的中心，天文學家使用了高精度的儀器，包括 Gravity, Sinfoni 和 Naco。現在，研究者正將他們的注意力集中在名為 S2 的星體上，追蹤它繞黑洞的運行軌跡，這一軌跡在幾周前變得離黑洞特別的近。在今年 5 月 19 日，S2 與黑洞達到最近距離，大約為 140 億公里。

星體與黑洞的「第二次親密接觸」

這顆名為 S2 的星體本身並沒有什麼特別之處。但是，它的軌道與銀河系中心黑洞的距離是所有目前已知的星體中最接近的銀河系中心黑洞的。光從 S2 傳播到黑洞只需 17 個小時。Reinhard Genzel 在德國 MPE 帶領的團隊自 1990 年代就開始觀測 S2 星體，他們最開始使用的是歐洲南方天文台（ESO）的 ESO 3.6 米望遠鏡，後來使用 ESO 的甚大望遠鏡（VLT），該望遠鏡由 4 台相同的 8.2 米口徑望遠鏡組成。

S2 在一個高度偏心的軌道上繞黑洞運行，周期約 15-16 年。S2 距黑洞最近距離相當於從太陽到海王星距離的 4 倍多，從太陽到地球距離約 120 倍。該距離相當於黑洞史瓦西半徑的 4 倍。在史瓦西半徑內的物體，即使加速到接近光速，也沒有辦法逃離黑洞。

圖 | S2 在銀河系中心超大質量黑洞 Sgr A* 附近運行軌道（圖源：ESO）

研究靠近銀河系中心的星體是很困難的，因為塵埃和氣體會阻擋大部分星體的光線。但是觀測團隊通過紅外線已經能夠估算出銀河中心黑洞「射手座 A*（Sgr A*）」的質量，大約是太陽的 400 萬倍。

科學家將 Gravity 和 Sinfoni 最近對 S2 位置和速度的觀測結果和之前對 S2 的觀測結果與牛頓力學預測和愛因斯坦的廣義相對論預測進行對比。事實證明，新的結果與牛頓的預測不吻合，而更接近愛因斯坦的預測。

「這是我們第二次觀測到 S2 經過銀河系中心黑洞的最近位置。但是這次，設備有了大幅提升，我們終於可以以前所未有的清晰度觀測細節。」Genzel 說，他還是這次國際研究團隊的負責人。

上次 S2 經過黑洞最近位置時間是在 2002 年。而早在 2002 年之前追溯至 20 世紀，科學家就持續在對 S2 進行觀測。但那時的天文望遠鏡不夠精確，無法進行必要的測量。但是這一次，觀測團隊做好了準備。凱克望遠鏡和 ESO 超大型望遠鏡現在都配備了自適應光學系統和可以實時改變形狀的柔性鏡片，以補償地球大氣層造成的曲變。Reinhard Genzel 團隊還可以使用四個 ESO 超大型望遠鏡作為光學干涉儀，將它們的光線組合在一起可以達到與口徑 130 米的望遠鏡等效的解析度。在這一解析度的觀測下，科學家甚至能隱約看到黑洞周圍的微光。

圖 | ESO 甚大望遠鏡 Gravity

UCLA 的 Andrea Ghez 帶領團隊差不多在同一時間開始觀測 S2，他們使用的是夏威夷的兩台口徑 10 米的凱克望遠鏡。她說：「這個觀察結果令人興奮，這是對相對論的直接測試，我們兩個隊伍為這一天的到來做了多年的準備。」

新的測量清晰的呈現了引力紅移，觀測到的波長與愛因斯坦廣義相對論預測的波長精確吻合。這是第一次研究者觀測到與牛頓重力理論存在偏差的繞超大質量黑洞運行恆星觀測結果。

引力紅移是指，光波或者其他波動從引力場源（如巨大星體或黑洞）遠離時，整體頻譜會發生「頻率變低，波長增長」的現象。之所以稱為「紅移」，並不是星體真的變紅，而是向頻譜中長波長端偏移。我們知道，紅色端與紫色端相比，波長更長，頻率更低。這一現象是牛頓力學無法解釋的。

「我們 2 年前第一次通過 Gravity 觀測到 S2, 那時的觀測結果就顯示了銀河系的中心存在一個完美的黑洞實驗室，」馬克斯·普朗克太空物理學研究所 Gravity 和 Sinfoni 的首席研究員 Frank Eisenhauer 說。在 S2 接近黑洞的過程中，即使是黑洞周圍的微弱光暈也可以在大多數圖像上被檢測到。「通過這種方式，我們可以以高精確度追蹤 S2 的軌道，並最終為 S2 光譜的引力紅移提供證據。」

團隊使用 Sinfoni 測量 S2 相對地球的速度。天文學家通過 Gravity 測量 S2 位置變化，及其精確的軌道形狀。顯微鏡發射的光通過合併和重疊，通過重力和光干涉共同生成了十分清晰的圖像。在這個圖像中，星體的運動可以持續被追蹤，因此在 26000 光年外的地球上我們可以看到該星體經過距黑洞最近的狀況。

對於 Genzel 的團隊來說，要及時準備好名為 GRAVITY 的光學干涉儀就意味著與時間賽跑。Genzel 說：「我們團隊總是被 deadline 趕著跑，其實壓力真的很大。」

S2 星體在 5 月 19 日最接近銀河系中心黑洞，自今年 3 月以來，兩個團隊就開始定期觀測。他們可以通過圖像追蹤恆星在天空中的路徑，通過使用光譜儀測量其靠近或遠離地球的徑向速度。他們希望看到愛因斯坦預測的兩種現象，一種是「引力紅移」，這是光子逃離黑洞的強烈引力場時發生的能量損失造成的。第二種是愛因斯坦早期的狹義相對論預測的紅移現象，稱為相對論橫向多普勒效應，在物體向視線切向移動時發生。

廣義相對論從未失敗

Genzel 的研究小組表示觀測到了相對論的綜合作用，黑洞的引力使 S2 的徑向速度超過了每秒 200 公里，儘管與其總體速度相比只是很小的一部分。MPE 的團隊成員 Stefan Gillessen 說：「我們對結果感到非常高興。」而 Ghez 的團段表示將繼續觀測並於 9 月公布觀測結果。

在 1915 年首次發表的廣義相對論通過相對性原理用集合語言描述了自然界引力的本質。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性，而時空的曲率則通過愛因斯坦場方程和處於其中的物質及輻射的能量與動量聯繫在一起。

目前，科學家已經對廣義相對論的預測進行了多次測試，包括實驗室測試、太陽系測試以及雙脈衝星系統。而截至目前，所有的這些測試結果都與廣義相對論的預測一致。換句話說，這些結果說明廣義相對論精確的描述了自然界中任何情境下的引力場。

然而，科學家還在繼續對廣義相對論進行評估以確保它能應用於任意情境。這些實驗可為未來解決更大的物理問題提供思路，例如如何將廣義相對論（常描述超大型物體）和量子力學（常描述極小物質）結合在一起。

「在黑洞周圍的強引力場中，我們希望能夠看到相對論效應——但是只有當我們有足夠精密的觀察手段的時候，這一想法才能實現。」馬克斯·普朗克太空物理學研究所的 Stefan Gillessen 說。「正是因為這一點，我們必須要不斷的更新我們的觀測技術。」

圖 | 銀河系中心黑洞附近的星體運行軌道圖，未來 S2 可能會跌入黑洞（圖源：ESO）

在地球實驗和天體物理觀測中，廣義相對論已經被多次測試過，此前最嚴格的測試包括成對的中子星和最近觀測到的引力波。但是這些測試所涉及的天體質量最多只有太陽的幾十倍，不像 Sgr A* 黑洞能夠引入極端引力場，Gillessen 說：「這種極端大的質量還從沒有被測試過，物理學家都很想知道廣義相對論在這種條件下將如何成立。」

在廣義相對論的文章發表超過 100 年後，愛因斯坦又一次被證明是對的——在一個比他可以想像到的大得多的極端實驗室中。物理學家們一直在以不同方式對廣義相對論進行驗證，但任何形式的「反例」到目前都仍未出現。

兩個團隊都預測愛因斯坦理論將被進一步證實。Gillessen 說：「這是廣義相對論系列測試的第一步，」在接下來的一兩年里，兩個團隊希望觀測到 S2 的路徑與 16 年前的路徑相比發生微小變化。這是相對論所預測的名為史瓦西進動（Schwarzschild precession）的現象，這種現象使得恆星軌道在每次公轉時都發生細微改變。Genzel 說：「我們已經開始觀測到這一現象了，但是還要一兩年才能得到足夠有力的數據」。

圖 | Karl Schwarzschild，與愛因斯坦同時代的物理學家，他提供了第一個廣義相對論愛因斯坦方程的精確解。（圖源：Wikipedia）

觀測團隊接下來將尋找比 S2 更接近 Sgr A* 黑洞的恆星。跟蹤它們的軌道可以使研究人員測量黑洞的旋轉速率。而且將來更靈敏的儀器或許能夠觀測到物質以 1/2 光速跌入黑洞以及黑洞兩極的相對論性噴流現象。現在一般認為相對論性噴流的直接成因是中心星體吸積盤表面的磁場沿著星體自轉軸的方向扭曲並向外發射，因而當條件允許時在吸積盤的兩個表面都會形成向外發射的噴流。如果噴流的方向恰巧和星體與地球的連線一致，由於是相對論性粒子束，噴流的亮度會因而發生改變。目前，科學家對相對論性噴流的形成機制和物理 成分仍然具有爭議。