現(xiàn)在，研究人員在銀河星系中心巨大黑洞的附近進(jìn)行了最全面的廣義相對論測試。

　　美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）物理學(xué)和天文學(xué)教授Andrea Ghez研究組在7月25日的《科學(xué)》上發(fā)表報(bào)告，支持了愛因斯坦的廣義相對論。

　　“我們的結(jié)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(xué)系的Tuan Do在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說，“我們正在測試的一項(xiàng)廣義相對論的內(nèi)容是，光在黑洞強(qiáng)引力下的行為。”

　　Do提到，廣義相對論認(rèn)為，當(dāng)光從恒星向我們傳播時(shí)，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(yù)測是一致的，但與牛頓關(guān)于引力的預(yù)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(nèi)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(gè)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(rèn)為，我們所感知的重力來自時(shí)空曲率，像太陽和地球這樣的物體會(huì)改變幾何形狀。

　　以幾何語言建立而成的廣義相對論，不僅預(yù)言了引力波的存在，還推導(dǎo)出某些大質(zhì)量恒星會(huì)終結(jié)為一個(gè)黑洞——時(shí)空中的某些區(qū)域發(fā)生極度扭曲以至于連光都無法“逃逸”。

　　Ghez提到，在愛因斯坦發(fā)表廣義相對論100多年后，這一理論開始受到質(zhì)疑。

　　“實(shí)際上，人們并不是真的在懷疑廣義相對論，而是這個(gè)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(guān)于黑洞的預(yù)測。”

　　通過在這些極端環(huán)境下的測試，研究人員希望可以看到是否有某些測量值會(huì)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(rèn)為，現(xiàn)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(qiáng)引力，也被認(rèn)為是檢驗(yàn)廣義相對論強(qiáng)引力場理論的“完美實(shí)驗(yàn)室”。因此，Ghez團(tuán)隊(duì)對超大質(zhì)量黑洞附近的現(xiàn)象進(jìn)行了直接測量，Ghez將其描述為“極端天體物理學(xué)”。

　　拿到入場券

　　Ghez的團(tuán)隊(duì)觀察一顆被稱為S0-2的恒星在銀河系中心超大質(zhì)量黑洞周圍的三維空間中走完一個(gè)完整軌道的情況。S0-2走完整個(gè)軌道需要16年，而該黑洞的質(zhì)量大約是太陽的400萬倍。

　　之所以選擇S0-2有數(shù)個(gè)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(guān)于這顆恒星的大量數(shù)據(jù)。”他說。

　　而且，到目前為止，它是唯一一顆擁有多個(gè)軌道光譜測量數(shù)據(jù)的恒星，S0-2的第一個(gè)光譜數(shù)據(jù)來自2000年。

　　研究人員在恒星離這個(gè)巨大黑洞最近時(shí)采集了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這個(gè)被Ghez描述為來自恒星的“光彩虹”的光譜，顯示了光的強(qiáng)度和恒星的組成，并提供了關(guān)于光從恒星傳播的重要信息。Ghez團(tuán)隊(duì)還將這些數(shù)據(jù)與過去24年中所做的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了結(jié)合。

　　此外，由該校James Larkin領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在UCLA建造的光譜儀上，利用夏威夷凱克天文臺(tái)收集的光譜，以之前無法達(dá)到的精度揭示了S0-2的運(yùn)動(dòng)。研究人員在凱克天文臺(tái)拍攝的恒星圖像提供了另外兩個(gè)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(jìn)入廣義相對論測試的‘入場券’。我們了解了引力在超大質(zhì)量黑洞附近的行為，以及愛因斯坦的理論是否告訴了我們?nèi)�部�?lsquo;故事’�？吹胶阈亲咄暾麄�(gè)軌道，為測試基礎(chǔ)物理學(xué)提供了第一個(gè)機(jī)會(huì)。”

　　最詳細(xì)研究

　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)依賴于能夠非常精確地測量S0-2環(huán)繞超大質(zhì)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(shù)據(jù)來了解這個(gè)軌道的牛頓性質(zhì)，以確保我們所看到的紅移偏差確實(shí)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(shí)候，S0-2以每小時(shí)1600多萬英里的驚人速度繞著黑洞運(yùn)動(dòng)。愛因斯坦曾認(rèn)為，在靠近黑洞的這個(gè)區(qū)域，光子必須做額外的工作。它們離開恒星時(shí)的波長不僅取決于恒星移動(dòng)的速度，還取決于光子為逃離黑洞強(qiáng)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(shù)y進(jìn)行量化。得出的結(jié)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(tǒng)計(jì)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)偏差值為5。

　　Ghez研究組還研究了超大質(zhì)量黑洞附近的時(shí)空混合。“在牛頓萬有引力理論中，空間和時(shí)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(xiàng)工作也被認(rèn)為是迄今為止對超大質(zhì)量黑洞和愛因斯坦廣義相對論進(jìn)行的最詳細(xì)的研究。

　　美國國家科學(xué)基金會(huì)天文科學(xué)部主任Richard Green說：“要想測量出如此重要的天文現(xiàn)象，需要多年的耐心觀察，而最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)使之成為可能。”

　　凱克天文臺(tái)主任Hilton Lewis稱，Ghez是天文臺(tái)最熱情、最頑強(qiáng)的用戶之一，“她最新的突破性研究，是過去20年來堅(jiān)定致力于解開銀河系中心特大質(zhì)量黑洞之謎的結(jié)晶”。

　　實(shí)際上，去年夏天，Ghez就有機(jī)會(huì)發(fā)表部分?jǐn)?shù)據(jù)，但是為了讓團(tuán)隊(duì)先全面分析數(shù)據(jù)，她選擇不發(fā)表。

　　“我們正在學(xué)習(xí)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(huì)誤讀數(shù)據(jù)，很多小錯(cuò)誤會(huì)累積成大錯(cuò)誤，這就是為什么我們沒有匆忙進(jìn)行分析。”

　　下一步，研究人員計(jì)劃測試廣義相對論預(yù)測的時(shí)空特性。“我們的目標(biāo)是測量S0-2的進(jìn)動(dòng)，或者說軌道的旋轉(zhuǎn)。牛頓引力預(yù)測恒星在走完一個(gè)軌道后會(huì)回到相同的位置，但是在廣義相對論中，恒星軌道進(jìn)動(dòng)，所以它會(huì)回到一個(gè)稍微不同的位置。通過觀測未來幾年S0-2的位置，我們應(yīng)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(yùn)行一周需要11年半。相比之下，Ghez研究的其他大多數(shù)恒星走完軌道的時(shí)間比人類的壽命長得多。