引力紅移新發現證實愛因斯坦廣義相對論

2021-01-15 中國科學院

　　隨著S2恆星通過銀河系中央的黑洞，強大的引力場導致其光線向光譜的紅色一端移動。圖片來源：ESO/M. Kornmesser

　　天文學家在銀河系中央捕捉到將恆星釋放的光線拉長的巨大黑洞。這是他們追蹤該恆星近30年後發現的。根據愛因斯坦的廣義相對論，光線在強引力場作用下會出現拉伸現象，波長變長，向紅波方向偏移，這被稱為引力紅移效應。但時至今日，它從未在黑洞附近被探測到。

　　「這是朝更深入地理解黑洞邁出的一大步。」未參與該研究的荷蘭拉德堡德大學天文學家Heino Falcke表示，「能發現這些效應真的非常神奇。」

　　近日，一個由德國馬普學會地外物理研究所科學家Reinhard Genzel領導的團隊在一場新聞發布會上宣布了這項發現，並在《天文和天體物理學》雜誌上報告了相關成果。該團隊包括來自德國、法國、葡萄牙、瑞士、荷蘭、美國和冰島各高校及研究機構的科學家。

　　自上世紀90年代初，Genzel和同事便開始追蹤這顆名為S2的恆星的「旅程」。科學家利用位於智利的歐洲南方天文臺的望遠鏡，觀察了其在黑洞附近以橢圓形軌道運行的情況。該黑洞位於射手座，距離地球2.6萬光年，質量是太陽的400萬倍，並在銀河系產生了強大的引力場。這使其成為搜尋相對論效應的理想目標。

　　今年5月19日，S2以史上最近的距離經過該黑洞。研究人員利用包括GRAVITY在內的設備追蹤了這顆恆星的路徑。

　　GRAVITY是一臺將來自4臺8米望遠鏡的光線結合在一起的幹涉儀，在2016年投入使用。「有了我們的測量結果，通向黑洞物理學的大門被進一步打開。」馬普學會天文學家、團隊成員Frank Eisenhauer表示。

　　GRAVITY測量了S2在天空的移動。最快時，這顆恆星以每秒超過7600公裡（接近光速的3%）的速度呼嘯而過。與此同時，另一臺設備研究了S2在和黑洞擦肩而過時以多快的速度向地球移動以及離開地球。將觀測結果整合在一起，Genzel團隊得以探測到這顆恆星的引力紅移——描述其光線如何因黑洞的巨大引力被拉伸至更長的波長。此類現象同廣義相對論的預測相一致。

　　「我們測量的結果無法再用牛頓理論來描述了。」巴黎天文臺天體物理學家Odele Straub表示。對S2的進一步觀測或許能證實愛因斯坦的其他預測，比如旋轉黑洞如何拖拽周圍的時空並拉著它們一起移動。

　　「他們的數據看上去很漂亮。」加州大學洛杉磯分校天文學家Andrea Ghez表示。Ghez帶領的團隊正利用夏威夷的凱克天文望遠鏡測量該恆星圍繞銀河系中央運行的路徑。

　　S2繞黑洞完整繞行一周需要16年，因此兩個團隊都在迫切等待著今年其近距離圍繞黑洞運轉的情形。不過，Ghez表示，其團隊計劃在今年年底發表研究成果。

　　今年4月，在地球上能看到的視線範圍內，S2達到最高速度。5月，它運行至距銀河系中央最近的地方。而在8月末和9月初，它將減緩至最低速度。「我們花了20年才等到這一刻。」Ghez說，「我們會等待，直到這次繞行結束，這顆恆星做完所有它要做的事情。」

　　隨著第三次事件即將到來，從地球上看其穿行方向，S2已經開始減慢速度。上述美國和歐洲團隊都在密切觀察。「現在已經到了最緊張的時刻。」Ghez說，「這格外令人興奮。」

　　相關論文信息：DOI: 10.1038/d41586-018-05825-3

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