Science：爱因斯坦广义相对论再添实证

来源：科研圈

加州大学洛杉矶分校（UCLA）领导的团队对超大质量黑洞附近恒星轨道进行了详细的分析，再一次证实了爱因斯坦的广义相对论，让我们知道引力是如何运作的。

2018 年，一颗被称为 S0-2 的恒星（蓝绿色）与银河系中央超大质量黑洞的距离达到最近。图片为艺术效果图。| 图片来源：Nicolle R. Fuller/美国国家科学基金会

爱因斯坦发表其标志性的广义相对论的 100 年后，这一理论开始受到质疑。日前，加州大学洛杉矶分校（UCLA）物理学和天文学教授 Andrea Ghez 和她的研究团队对银河系中心巨大黑洞附近进行了目前最全面的广义相对论测试，证明爱因斯坦的广义相对论仍然成立，其研究成果于 2019 年 7 月 25 日发表在Science 期刊上。

“爱因斯坦的理论在现在仍然成立，我们甚至可以完全抛弃牛顿引力定律。我们得到的观测结果与爱因斯坦的广义相对论一致。然而，这个理论无疑也暴露了一些缺陷。广义相对论并不能完全解释黑洞内部的引力，在某种程度上，我们还需要超越爱因斯坦理论，建立一个更完整的引力理论，来解释黑洞是什么，”Ghez 说，她也是这项研究的共同主要作者之一。

爱因斯坦在 1915 年提出的广义相对论指出，我们所认为的引力来自于时空的曲率，他还指出像太阳和地球这样的物体会改变时空的几何形状。Ghez 说，爱因斯坦理论对引力的原理进行了最好的描述。UCLA 主导的天文学家团队已经对一个超大质量黑洞附近的现象进行了直接测量，Ghez 将此研究描述为“极端天体物理学”。

Ghez 说，一个物理定律应当在宇宙的任何一处都应该成立，包括引力在内。世界上仅有两个研究团队观测 S0-2 恒星，Ghez 的团队就是其中之一。这颗恒星沿着三维轨道围绕银河系中心的超大质量黑洞运行，绕行一周需要 16 年，该黑洞的质量约为太阳的 4000 万倍。

研究人员表示，他们的工作是迄今为止对超大质量黑洞和爱因斯坦广义相对论所进行的最详细的研究。

研究中的关键数据是 Ghez 的团队于 2018 年 4 月、5 月和去年 9 月采集分析的 S0-2 恒星光谱，当时它离这个巨大黑洞最近。这是 Ghez“最偏爱的恒星”，并且她将光谱称为来自恒星的“彩虹光”，它不仅可以表明光的强度，还能提供关于来源恒星的重要信息，例如恒星的组成成分。这些数据与 Ghez 和她的研究团队在过去 24 年中所得到的观测数据合并，用于本次研究分析。

光谱数据的采集在夏威夷的凯克天文台（W.M. Keck Observatory）完成，使用 UCLA 的 James Larkin 团队建造的光谱仪。研究人员在凯克天文台拍摄的恒星图像提供了另外两个维度，而光谱提供了第三个维度，以前所未有的精度展现了恒星的运动。Ghez 介绍，Larkin 的仪器接收来自恒星的光并将其散射，就像太阳光照射到雨滴，光线被散射形成彩虹一样。

凯克天文台的发出的两束激光，指向银河系中央。每束激光都像一颗人造恒星，天文学家可以用它修正地球大气引发的扰动。图片来源：Ethan Tweedie

Ghez 介绍：“S0-2 的特别之处在于我们了解它的整个轨道的三维信息，这就给了我们一张检验广义相对论的入场券。我们想了解引力在超大质量黑洞附近的行为，以及爱因斯坦理论能否完全解释这个场景。观测恒星沿着轨道完成运行周期，是我们利用这些恒星运动来验证基础物理学的首个机会。”

Ghez的研究团队看到了超大质量黑洞附近的时空混合。她说：“在牛顿引力理论中，空间和时间是两回事，不能混合在一起；而在爱因斯坦理论中，它们在黑洞附近完全混合。”

美国国家科学基金会（National Science Foundation）天文学部门主任 Richard Green 说：“要验证这样具有根本重要性的理论，需要多年的潜心观察与最先进的技术。”二十多年来，该部门与一些研究团队所发现的重要技术要素一直支持着 Ghez。“通过不懈努力，Ghez 和她的合作者们为爱因斯坦关于强引力的理论提供了具有重要意义的实证。”

凯克天文台主任 Hilton Lewis 称 Ghez 为“凯克天文台里最热情，最执着的用户之一”。他说：“过去二十年里，科学家们坚持不懈，致力于揭开银河系中心超大质量黑洞的谜团，而 Ghez 团队最新的开创性研究将这一趋势推向了高潮。”

研究人员研究了从 S0-2 到达地球的光子。S0-2 围绕黑洞运动，离黑洞最近的时候速度超过每小时 1600 万英里（约合 2600 万千米）。爱因斯坦曾报告，在黑洞附近的区域，光子必须做额外的功。它们离开恒星时的波长不仅取决于恒星的运动速度，还取决于光子为逃离黑洞强大引力场而消耗的能量。黑洞附近的引力远比地球上强得多。

Ghez 在去年夏天有一个展示部分数据的机会，但是为了让团队能够先完成全面的数据分析，她选择不展示。“我们还在理解引力是如何运作的。它是四种基本力之一，也是我们研究最少的一种力。”她说，“宇宙中还有很多区域我们没有探索，不了解引力在那些地方如何运作。我们很容易盲目自信，而且有很多种可能会曲解数据，小错误也有很多种可能累积成重大错误。所以我们不急于推进分析。”

Ghez 是 2008 年麦克阿瑟天才奖的获得者之一，她研究了 3000 多颗围绕超大质量黑洞运行的恒星。她说，其中数百颗恒星还很年轻，位于天文学家意想不到的地方。

光子从 S0-2 到达地球需要花费 26000 年的时间。GHez 领导着 UCLA 银河系中心研究小组（Galactic Center Group），她说：“我们非常兴奋，多年来一直在为这些测量工作做准备。对我们来说，这非常令人震撼，发生在此时此刻——然而事实上，这发生在 26000 年以前！”

Ghez 研究团队还将对超大质量恒星附近众多恒星进行检验，S0-2 只是第一颗。在众多恒星中，她最感兴趣的就是 S0-102，它的轨道最短，绕黑洞绕行一周只需要 11.5 年。Ghez 研究的大多数恒星轨道运行周期都比人类的寿命长得多。

在 2018 年的关键时期，Ghez 团队大约每四个晚上用凯克天文台进行一次测量。凯克天文台位于夏威夷休眠的莫纳基亚（Mauna Kea）火山顶上，拥有世界上最大、最先进的一些光学和红外望远镜。研究团队利用同样位于夏威夷的双子座天文台（Gemini Observatory）和昴星团望远镜（Subaru Telescope）的光学-红外望远镜也进行了同样的测量。她和她的团队既在夏威夷现场使用了这些望远镜，也在 UCLA 物理与天文系的观察室远程使用了这些望远镜。

黑洞的密度非常高，即使是光也无法逃离它的引力场。黑洞不能被直接观测到，但是它们对附近恒星的影响是可见的，并提供了一个标志。一旦有东西穿过黑洞的“事件视界”，它就无法逃脱。然而，恒星 S0-2 即使是在离黑洞最近的时候，仍然离事件视界很远，所以它发出的光子不会被吸进去。

论文信息

【标题】Relativistic redshift of the star S0-2 orbiting the Galactic center supermassive black hole

【作者】Tuan Do, Aurelien Hees, Andrea Ghez, Gregory D. Martinez, Devin S. Chu, Siyao Jia, Shoko Sakai, Jessica R. Lu, Abhimat K. Gautam, Kelly Kosmo O’Neil1, Eric E. Becklin, Mark R. Morris, Keith Matthews, Shogo Nishiyama, Randy Campbell, Samantha Chappell, Zhuo Chen, Anna Ciurlo, Arezu Dehghanfar, Eulalia Gallego-Cano, Wolfgang E. Kerzendorf, James E. Lyke, Smadar Naoz, Hiromi Saida, Rainer Schödel, Masaaki Takahashi, Yohsuke Takamori, Gunther Witzel, Peter Wizinowich

【期刊】Science

【时间】25 July 2019

【链接】http://dx.doi.org/10.1126/science.aav8137 

【摘要】General Relativity predicts that a star passing close to a supermassive black hole should exhibit a relativistic redshift. We test this using observations of the Galactic center star S0-2. We combine existing spectroscopic and astrometric measurements from 1995-2017, which cover S0-2’s 16-year orbit, with measurements in 2018 March to September which cover three events during its closest approach to the black hole. We detect the combination of special relativistic- and gravitational-redshift, quantified using a redshift parameter, γ . Our result, γ = 0.88 ± 0.17 , is consistent with General Relativity  (γ = 1) and excludes a Newtonian model(γ = 0) with a statistical significance of 5σ.