银河系中心超大质量黑洞再次证明爱因斯坦是对的

来源：ScienceAAAS

评述论文：Relativistic redshift of the star S0-2 orbiting the Galactic center supermassive black hole （Science 26 JULY 2019: Vol 365, Issue 6451）

位于银河系中心（银心）人马座（Sgr A*）方向的超大质量黑洞（质量达4百万太阳质量），一直是天体物理学和引力物理最吸引人的观察对象和实验室。从1995年起天文学家就开始观测银心的恒星运动，至今已经积累了 20多年的观测数据，观察到了一系列围绕银河系中心公转的S星。通过拟合这些恒星的轨道周期，就可以推测出中心暗天体的质量约为400万太阳质量。另外，射电天文观测发现暗天体的所占区域却很小。如此巨大的质量集中在如此小的区域，根据目前的物理学理论，位于银心的超大质量天体只有可能是黑洞。

在这些已知的S星中，一颗被命名为S0-2的恒星，轨道周期只有16年，已经被观测到一个完整的轨道周期（图1）。

图1. （左图）Keck望远镜2018年3月份拍摄的银心影像。（右图）S0-2完整的轨道形状。

图来自于评述文献。

在这样超大质量黑洞周围的天体运动，会表现出广义相对论预言的效应 ，如轨道的进动、引力红移等。后者指光在引力场中传播时，从引力场强的地方传递到引力场弱的地方会出现红移，即频率变低的现象。反过来则出现蓝移，即频率变高。至今为止，广义相对论仍然是最成功的引力理论。特别是太阳系内一系列的实验，在很高的精度上检验了其正确性。不过，在遥远的银心（距离地球26000光年），在质量如此巨大的黑洞附近，引力的效应是否仍然由广义相对论预言的那般？通过测量S星的轨道运动，并和广义相对论预言的结果进行比较，就可以在超大质量黑洞附近对引力理论 进行检验。而引力理论检验是当前最热门的研究方向之一。科学家想知道，广义相对论在多大的尺度上成立，其成立的边界在何处？特别重要的是在黑洞附近这种极端强场的情形下，广义相对论是否仍然成立 ？

加州大学洛杉矶分校物理与天文学系Tuan Do等人在Science杂志发表了利用S0-2星测量数据测量超大质量黑洞附近引力红移的最新结果。他们通过利用20年来由包括智利的欧洲南方天文台Keck望远镜在内的观测资料，来分析S0-2星的径向速度变化。沿椭圆运动的天体，在近心点时运动速度最快、远心点运动速度最慢，同时由于天体位置的变化导致的和地球之间视线方向的变化，使得从地球上看到的天体的径向速度有周期性变化。因为多普勒效应，径向速度变化最终体现到观测到的光谱上。同时，由于引力效应，电磁波还会产生引力红移现象。因此，反过来，科学家就可以通过光谱来拟合S0-2的径向速度，并和牛顿力学和广义相对论的理论预言进行比较（见图2）。

图2. 观测到的径向速度和牛顿力学预言值的偏差。图中蓝色长虚线是牛顿力学预言结果（Newton），而蓝色短虚线则是广义相对论预言结果（GR），数据拟合结果是红色实线。

结果发现，观测结果和广义相对论的预言非常接近。如果我们把和广义相对论完全相同称为1，和牛顿力学完全相同称为0，则最佳拟合结果为0.88。尽管这个结果相比于其它引力红移实验来说比较粗糙，但是应该是第一次在银心超大质量黑洞附近利用S星进行的引力红移检验。