引力红移新发现证实爱因斯坦广义相对论

当S2星穿过银河系中心的黑洞时，强大的引力场导致它的光向光谱的红色一端移动。资料来源:ESO/m . Kornesser

在银河系的中部，天文学家们捕捉到了一个巨大的黑洞，它将恒星发出的光拉长。这是他们追踪这颗恒星近30年后发现的。根据爱因斯坦的广义相对论，光在强引力场的作用下会伸长，波长变长并向红波方向移动，这就是所谓的引力红移效应。但到目前为止，还没有在黑洞附近发现它。

"这是深入理解黑洞的一大步."荷兰拉德堡大学的天文学家海诺·法尔克没有参与这项研究，他说，“发现这些效应真的很令人惊讶。”

最近，由德国马克斯·普朗克外星物理研究所的科学家莱因哈特·根泽尔领导的一个小组在新闻发布会上宣布了这一发现，并在《天文学和天体物理学》杂志上报道了相关结果。该团队包括来自德国、法国、葡萄牙、瑞士、荷兰、美国和冰岛的大学和研究机构的科学家。

自20世纪90年代初以来，根泽尔和他的同事一直在追踪明星S2的“旅程”。科学家们使用智利欧洲南方天文台的望远镜观察它围绕黑洞的椭圆轨道。黑洞位于人马座，距离地球26000光年，质量是太阳的400万倍，在银河系中产生一个强大的引力场。这使得它成为寻找相对论效应的理想目标。

今年5月19日，S2通过了历史上最短距离的黑洞。研究人员使用包括重力在内的设备来追踪恒星的路径。

重力是一个干涉仪，结合了四个8米望远镜的光线，将于2016年投入使用。"通过我们的测量，黑洞物理学的大门已经进一步打开."马克斯·普朗克研究所的天文学家和团队成员弗兰克·艾森豪尔说。

重力测量了S2在天空中的运动。以最快的速度，这颗恒星以每秒7600公里的速度呼啸而过(接近光速的3%)。与此同时，另一个装置研究了当S2经过黑洞时，它移动到地球和离开地球的速度。结合这些观察，根泽尔的团队能够探测到这颗恒星的引力红移——描述了它的光是如何被黑洞的巨大引力拉伸到更长的波长。这种现象符合广义相对论的预测。

"我们的测量结果再也不能用牛顿理论来描述了。"巴黎天文台的天体物理学家奥德尔·施特劳布说。对S2的进一步观察可能会证实爱因斯坦的其他预测，比如旋转的黑洞如何拖动周围的时空并把它们拉在一起。

“他们的数据看起来很漂亮。”洛杉矶加利福尼亚大学的天文学家安德里亚·盖兹说。盖兹的团队正在使用夏威夷的凯克望远镜来测量恒星围绕银河系中心的路径。

S2花了16年的时间完成了围绕黑洞的一整圈，所以两个团队都急切地等待着今年它围绕黑洞的近距离轨道。然而，盖兹说他的团队计划在今年年底公布研究结果。

今年4月，S2达到了地球上可见范围内的最高速度。五月，它移到了离银河系中心最近的地方。在8月底和9月初，它将减速到最低速度。"我们花了20年才等到这一刻。"盖兹说，“我们会一直等到这个迂回的过程结束，并且这个明星已经做了他应该做的一切。”

随着第三个事件的到来，S2已经开始放慢从地球出发的方向。上述美国和欧洲团队正在密切观察。"现在是最紧张的时刻。"盖兹说，“这特别令人兴奋。”

(慢慢地)

相关文件信息:DOI: 10.1038/d41586-018-05825-3

中国科学新闻(2018-07-30第二版国际版)