爱因斯坦是对的！广义相对论在黑洞附近依然成立

2018年，一颗被命名为“S0-2”的恒星（图中蓝色和绿色的天体）运行至离银河系中心超大质量黑洞距离最近的位置。Ghez的团队利用了夏威夷的W.M.凯克天文台进行了数据收集。

爱因斯坦发表具有划时代意义的广义相对论（general theory of relativity，简称GR） 100多年了。这一理论近年来开始遭受质疑。据美国科学促进会（AAAS）运营的全球科技新闻服务网站优睿科（EurekAlert）7月25日消息称，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）物理学和天文学教授Andrea Ghez的研究小组在对银河系中心巨型黑洞周围区域进行了最全面的、详细的广义相对论测试后发现，GR是成立的，并于7月25日在《科学》杂志上发表了相关的研究论文。

该论文的共同作者之一Ghez介绍道：“爱因斯坦是对的，至少我们目前的观察结果是符合爱因斯坦广义相对论的。因此，我们完全可以排除牛顿引力定律。然而，相对论无疑也具有其脆弱性，比如它不能完全解释黑洞内部的引力效应。在未来的某个时间点上，我们或需要超越爱因斯坦的理论，并建立一个更全面的引力理论，以求解释黑洞究竟是什么。”

在这项对于围绕该特大质量黑洞运行的恒星的详细研究中，研究人员报告说，爱因斯坦的广义相对论准确地描述了光在挣扎逃离这个巨大天体结构周围的引力环境时，会有什么样的行为与表现。研究人员探测到，一颗被命名为“S0-2”的恒星射出的光发生了“引力红移”效应，在此时是其围绕黑洞长达16年的公转周期中距离黑洞最近的时间点。去年“引力号”（GRAVITY）合作小组也进行了类似的分析，在这篇最新的研究论文中，Tuan Do和Andrea Ghez的团队公布了最新的光谱数据和扩展后的分析结果。

尽管科学家已经在相对较弱的引力场（比如地球和太阳系的引力场）中对广义相对论进行了测试，但在去年之前，他们还从没有在一个黑洞周围进行过测试，尤其是像我们银河系中心被命名为“人马座A*”这样规模的黑洞。观测超大质量黑洞周围快速公转的恒星，将为GR在极端引力环境中的评估提供一种途径。

Do和Ghez团队分析了恒星“S0-2”在2018年中最接近于“人马座A*”时的最新观测结果。他们通过将这些数据与Ghez的团队过去24年的测量数据进行对比分析，发现其中存在“引力红移”的现象（当黑洞周围的引力场将光波拉长时，光波长度会向光谱的红外线区间移动）发生。这些光谱数据还反映了该恒星的结构与成分。这一发现不仅支持和证明了广义相对论的推导结论，也在很大程度上否定了牛顿引力理论——因为牛顿引力无法解释观测到的红移现象。Ghez介绍道，这些发现“不仅改变了我们对超大质量黑洞存在的认识，而且还改变了我们对黑洞物理学和天体物理学的理解”。

值得一提的是，Ghez的研究小组成功地观测到超大质量黑洞周遭的时空混合现象。她解释道：“根据牛顿的万有引力理论，空间和时间是分开的，不能混合在一起；在爱因斯坦的理论中，它们在黑洞附近能够完全混合在一起。”

研究人员研究的光子（光的粒子）是从“S0-2”传播到地球的。“S0-2”在离黑洞最近时，环绕黑洞运动的公转速度能到达惊人的每小时1600多万英里（约2575万千米）。爱因斯坦曾指出，在黑洞周遭的这个区域中，光子必然会发生额外的效应：它们被恒星发射时的波长，不仅取决于恒星移动的速度，还取决于光子为逃离黑洞强大的引力场而消耗的能量——在黑洞附近，引力比要在地球上强烈得多。

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编译：朱明逸  

审稿：阿淼  

责编：唐林芳 

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

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