这次，爱因斯坦又对了
大黑洞和相对论最详细研究出炉
S0-2恒星最接近银河系中心的超大质量黑洞 图片来源：Nicolle R. Fuller
■本报记者 唐凤
现在，研究人员在银河星系中心巨大黑洞的附近进行了最全面的广义相对论测试。
美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）物理学和天文学教授Andrea Ghez研究组在7月25日的《科学》上发表报告，支持了爱因斯坦的广义相对论。
“我们的结论是，爱因斯坦是对的，至少目前来看是这样。”该论文通讯作者、UCLA物理与天文学系的Tuan Do在接受《中国科学报》采访时说，“我们正在测试的一项广义相对论的内容是，光在黑洞强引力下的行为。”
Do提到，广义相对论认为，当光从恒星向我们传播时，它将失去能量。能量的损失意味着光变得更红，这就是为什么它被称为引力红移。“我们测量到的红移与广义相对论的预测是一致的，但与牛顿关于引力的预测非常不同。”
Ghez也表示，“我们完全可以排除牛顿引力定律，不过爱因斯坦的理论无疑也显示出脆弱性，它不能完全解释黑洞内部的引力。在某种程度上，我们需要超越爱因斯坦的理论，建立一个更全面的引力理论，解释黑洞是什么。”
广义相对论是“最好描述”
爱因斯坦1915年提出的广义相对论认为，我们所感知的重力来自时空曲率，像太阳和地球这样的物体会改变几何形状。
以几何语言建立而成的广义相对论，不仅预言了引力波的存在，还推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度扭曲以至于连光都无法“逃逸”。
Ghez提到，在爱因斯坦发表广义相对论100多年后，这一理论开始受到质疑。
“实际上，人们并不是真的在怀疑广义相对论，而是这个理论不完整。”Do说，“我们知道广义相对论很难描述非常小但重力非常大的物体，比如黑洞。这就是为什么我们想要测试广义相对论关于黑洞的预测。”
通过在这些极端环境下的测试，研究人员希望可以看到是否有某些测量值会偏离广义相对论。“这将为我们提供新的物理线索。”Do说。
无论如何，Ghez认为，现在看来，爱因斯坦的理论是对引力如何起作用的最好描述。
黑洞具有超强引力，也被认为是检验广义相对论强引力场理论的“完美实验室”。因此，Ghez团队对超大质量黑洞附近的现象进行了直接测量，Ghez将其描述为“极端天体物理学”。
拿到入场券
Ghez的团队观察一颗被称为S0-2的恒星在银河系中心超大质量黑洞周围的三维空间中走完一个完整轨道的情况。S0-2走完整个轨道需要16年，而该黑洞的质量大约是太阳的400万倍。
之所以选择S0-2有数个原因。Do提到，它是黑洞附近最亮的恒星之一，且周期很短，只有16年。“这意味着我们能够得到关于这颗恒星的大量数据。”他说。
而且，到目前为止，它是唯一一颗拥有多个轨道光谱测量数据的恒星，S0-2的第一个光谱数据来自2000年。
研究人员在恒星离这个巨大黑洞最近时采集了关键数据。这个被Ghez描述为来自恒星的“光彩虹”的光谱，显示了光的强度和恒星的组成，并提供了关于光从恒星传播的重要信息。Ghez团队还将这些数据与过去24年中所做的测量数据进行了结合。
此外，由该校James Larkin领导的团队在UCLA建造的光谱仪上，利用夏威夷凯克天文台收集的光谱，以之前无法达到的精度揭示了S0-2的运动。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。
“S0-2的特别之处在于它的完整轨道是三维的。”Ghez说，“这给了我们进入广义相对论测试的‘入场券’。我们了解了引力在超大质量黑洞附近的行为，以及爱因斯坦的理论是否告诉了我们全部的‘故事’。看到恒星走完整个轨道，为测试基础物理学提供了第一个机会。”
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