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
扩展阅读：引力红移
引力红移，是强引力场中天体发射的电磁波波长变长的现象。由广义相对论可推知，当从远离引力场的地方观测时，处在引力场中的辐射源发射出来的谱线，其波长会变长一些，也就是红移。
只有在引力场特别强的情况下，引力造成的红移量才能被检测出来。但由于遥远恒星的质量和半径难以确定，因此理论和实验有一定误差。
引力红移现象首先在引力场很强的白矮星上检测出来(天狼星伴星、波江座40伴星B)。二十世纪六十年代，庞德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡尔效应的实验方法，测量由地面上高度相差22.6米的两点之间引力势的微小差别所造成的谱线频率的移动，定量地验证了引力红移。
广义相对论对引力红移的描述
静止于无穷远的观测者所看到的，来自恒星表面光子的频率移动：
定义红移相对值为：
用泰勒级数展开：
保留一级近似：
牛顿理论对引力红移的描述：
利用引力质量与惯性质量相等、质能关系、万有引力定律也能解释引力红移。 如从太阳表面飞向无穷远的光子，其能量消耗为：
M为太阳质量，R为太阳半径，m为光子引力质量。最后可推出相对红移量为：
可以看出在一级近似下广义相对论和万有引力定律结果没有差异，二级近似下有差异。之前的观测和穆斯堡尔效应的测量都只能到一级近似，无法鉴别两种理论哪个更符合实际。
最近的观测看来站在了相对论的一边，在极端引力条件下，牛顿力学失效了。 目前我们知道的红移机制有两种，一是多普勒红移，一是引力红移。一直以来，人们认为宇宙学红移是多普勒红移；近年来，人们认识到二者有本质不同，宇宙学红移是空间膨胀造成的，多普勒红移是光源在空间中运动造成的。宇宙学红移本质上讲仍属于引力红移。
References
[1]First Successful Test of Einstein’s General Relativity Near Supermassive Black Hole.
[2] The ideal black hole laboratory.
[3] Milky Way’s black hole provides long-sought test of Einstein’s general relativity.
[4] Star’s black hole encounter puts Einstein’s theory of gravity to the test.
[5] Detection of the gravitational redshift in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole.
[6]广义相对论基础.赵峥等.清华大学出版社.
联系客服
