爱因斯坦广义相对论首次在大质量黑洞附近获得检验

原标题：爱因斯坦广义相对论首次在大质量黑洞附近获得检验

近期Science和Nature同时在线发布了一条消息关于天文学家通过观测银河系中心大质量黑洞附近恒星的引力红移进一步验证了爱因斯坦广义相对论。

科学家追踪这一区域的恒星将近30年的时间了，终于捕捉到了我们星系内巨型黑洞对其周围恒星发出光的撕扯。引力红移是爱因斯坦广义相对论预言的一种现象，但是在黑洞附近被探测到尚属首次。

图1 黑洞附近的引力红移（艺术构想）

来源：马克斯•普朗克天体物理研究所官网

       这一发现近日发表在了《Astronomy & Astrophysics》上，研究团队包括德国普朗克研究所在内的多个国家的研究人员。他们最早从1990年代就开始关注银河系中心附近的恒星，利用欧洲南方天文台位于智利的望远镜等设备，最终将目标锁定在一颗名为S2的恒星。该星以椭圆轨道（周期16年）围绕黑洞运动，这个黑洞就是位于距离地球26000光年远的人马座A*（Sgr A*）。

       人马座A*（Sagittarius A*，简写为Sgr A*）是位于银河系银心一个非常光亮及致密的射电源，大约每11分钟旋转一圈。太阳系围绕银河系中心做公转运动的周期约为22600万年，也就是2.26亿年。

       太阳系绕银河系中心转一周的时间称为一个宇宙年。人马座A*很有可能是离我们最近的超大质量黑洞的所在，有大约400万个太阳质量，产生的强大引力场成为捕捉引力效应的理想实验场所。

图2 银河系中心图像，那里隐藏着一个大质量黑洞，图中红叉标记的位置。

来源：马克斯•普朗克天体物理研究所官网

       2018年的5月19日，S2到达了距离黑洞最近的位置。研究人员利用GRAVITY（GRAVITY是用于精密窄角天体测量和干涉成像的第二代VLTI仪器）对其进行了追踪观测，最快时7600km/s的速度蹽过。

       结合其他观测数据研究人员探测了恒星的引力红移，这可以帮助描述光的波长是如何被黑洞的引力拉长的。通过研究S2的引力红移并与牛顿力学、广义相对论以及其他引力理论比较，他们的研究结果显示牛顿理论对引力红移的解释在这里失效了（在大质量黑洞附近的恒星运动中还是第一次），结果与广义相对论的预测十分相符。

       未来的观测可能证实爱因斯坦其他预言，比如旋转黑洞是如何弯曲它周围的时空的。

图3 左边为应用不同观测手段得到的S2围绕sgrA*的轨道；右上表示S2在不同时间的视向速度；右下显示了S2靠近中心大质量黑洞时的运动，最近时以接近3%光速的速度运动。来源：文献5