加州大学洛杉矶分校(UCLA)物理学和天文学教授安德烈亚•盖兹(Andrea Ghez)表示，在阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein)发表其标志性的广义相对论100多年后，这一理论开始受到质疑。现在，在我们星系中心巨大黑洞附近进行的最全面的广义相对论测试中，Ghez和她的研究小组在7月25日的《科学》(Science)杂志上发表了一篇报告，该报告支持了爱因斯坦的广义相对论。
“爱因斯坦是对的，至少现在是这样，”该研究的联合首席作者赛义德·盖兹说。“我们完全可以排除牛顿引力定律。我们的观测结果与爱因斯坦的广义相对论一致。然而，他的理论无疑显示出脆弱性。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，来解释黑洞是什么。”
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于时空的曲率。这位科学家提出，像太阳和地球这样的物体会改变这种几何形状。Ghez说:“爱因斯坦的理论是对引力作用原理的最好描述。”Ghez领导的加州大学洛杉矶分校的天文学家小组对超大质量黑洞附近的这一现象进行了直接测量Ghez将研究描述为“极端天体物理学”。
物理定律,包括重力,应该有效的宇宙中无处不在,Ghez说。他补充说,她的研究团队是世界上仅有的两组看明星称为S0-2制作一个完整的轨道在三维空间的超大质量黑洞在银河系的中心。整个轨道需要16年，而黑洞的质量大约是太阳的400万倍。
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进行的最详细的研究。
研究中的关键数据是Ghez的团队去年4月、5月和9月分析的她“最喜欢的明星”的光谱。离巨大的黑洞最近光谱，Ghez称之为“光的彩虹”从恒星，显示光的强度，并提供重要的信息，从恒星的光旅行。光谱也显示了恒星的组成。这些数据与Ghez和她的团队在过去24年中所做的测量数据相结合。
谱本;收集于夏威夷凯克天文台，使用的是由同事詹姆斯·拉金领导的团队在加州大学洛杉矶分校制造的光谱仪提供第三个维度，以以前没有达到的精度显示恒星的运动。(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。)盖兹说，拉金的仪器从一颗恒星上获取光并将其散射，就像雨滴从太阳上散射光形成彩虹一样。
“S0-2的特别之处在于它的完整轨道是三维的，”劳伦·b·莱斯特曼(Lauren B. Leichtman)和亚瑟·e·莱文(Arthur E. Levine)担任天体物理学教授的赛德·盖兹(said Ghez)说。“这给了我们进入广义相对论测试的入场券。我们询问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。看到恒星穿过它们的完整轨道，为利用这些恒星的运动来测试基础物理学提供了第一个机会。”
Ghez的研究小组能够看到超大质量黑洞附近的时空混合。在牛顿的万有引力理论中，空间和时间是分开的，不能混合在一起;在爱因斯坦的理论下，它们在黑洞附近完全混合，”她说。
“用最先进的技术进行如此重要的测量需要多年的耐心观察，”美国国家科学基金会天文科学部主任理查德·格林说，在过去20多年里，该部门一直在支持Ghez，同时也支持一些对研究小组的发现至关重要的技术元素。“通过他们的严格努力，Ghez和她的合作者已经对爱因斯坦关于强引力的观点做出了重要的验证。”
凯克天文台主任希尔顿·刘易斯称盖兹是“凯克天文台最热情、最顽强的用户之一。”“她最新的突破性研究，”他说，“这是过去二十年来，解开银河系中心特大质量黑洞之谜的坚定承诺的顶峰。”
研究人员研究了光子光粒子-当他们从S0-2到达地球时。S0-2在离黑洞最近的时候以每小时1600多万英里的惊人速度绕着黑洞运动。爱因斯坦曾报告说，在靠近黑洞的这个区域，光子必须做额外的工作。它们离开恒星时的波长不仅取决于恒星移动的速度，还取决于光子为逃离黑洞强大的引力场而消耗的能量。在黑洞附近，引力比在地球上强得多。
来自星系中心的光
用这个丰富多彩的交互式web可视化捕捉恒星的轨道。
Ghez去年夏天得到了展示部分数据的机会，但是为了让她的团队能够首先全面分析数据，她选择不展示。“我们正在学习重力是如何工作的。这是四种基本力量之一，也是我们测试最少的一种。”她说。“有很多地方我们还没有问，重力是如何在这里工作的?”我们很容易过于自信，有很多方法会误解数据，很多小错误会累积成大错误，这就是为什么我们没有匆忙进行分析。”
盖兹，2008年麦克阿瑟“天才”奖得主研究3000多颗围绕超大质量黑洞运行的恒星。她说，其中数百颗是年轻的，在天文学家没有预料到的区域。
从S0-2到地球需要26,000年的时间。“我们非常兴奋，多年来一直在准备进行这些测量，”加州大学洛杉矶分校银河中心小组负责人盖兹说。“对我们来说，这是发自内心的，现在但它实际上发生在26,000年前!”
这是Ghez的研究小组将对超大质量黑洞附近的恒星进行的众多测试中的第一个。她最感兴趣的恒星是S0-102，它的轨道最短，绕黑洞运行一周需要11年半的时间。Ghez研究的大多数恒星的轨道都比人类的寿命长得多。
Ghez的团队在2018年的关键时期大约每四个晚上使用凯克天文台进行测量它坐落在夏威夷休眠的莫纳克亚火山上，拥有世界上最大、最好的光学和红外望远镜之一。在双子座天文台的光学红外望远镜和同样位于夏威夷的斯巴鲁望远镜也进行了测量。她和她的团队既在夏威夷的现场使用了这些望远镜，也在加州大学洛杉矶分校物理和天文系的一个观察室远程使用了这些望远镜。
黑洞的密度如此之高，以至于没有任何东西能逃脱它们的引力，甚至光也不能。(它们不能被直接看到，但它们对附近恒星的影响是可见的，并提供了一个特征。一旦某物越过“事件视界”对于黑洞，它将无法逃逸。然而，恒星S0-2离视界仍然相当远，即使是在它最接近视界的时候，因此它的光子也不会被拉进来。)
Ethan Tweedie激光指向我们星系中心的方向。每一束激光都会产生一颗“人造恒星”天文学家可以用它来校正由地球大气层造成的模糊。Ghez的合作者包括Tuan Do，这篇科学论文的主要作者，加州大学洛杉矶分校的研究科学家和加州大学洛杉矶分校银河中心小组的副主任;前加州大学洛杉矶分校博士后，现为巴黎天文台研究员;加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授马克·莫里斯;加州大学洛杉矶分校物理学和天文学名誉教授埃里克·贝克林;加州大学洛杉矶分校物理学和天文学助理教授Smadar Naoz;Jessica Lu，前加州大学洛杉矶分校研究生，现为加州大学伯克利分校天文学助理教授;加州大学洛杉矶分校研究生朱德文;加州大学洛杉矶分校项目科学家格雷格·马丁内斯;加州大学洛杉矶分校的研究科学家Shoko Sakai;日本宫城县教育大学副教授西山尚吾;研究员和Rainer Schoedel Spain’ s Astrofısica de Andalucıa皇家研究院。
在过去的25年里，美国国家科学基金会一直在资助Ghez的研究。最近，她的研究还得到了凯克基金会(W.M. Keck Foundation)、戈登和贝蒂摩尔基金会(Gordon and Betty Moore Foundation)、海森堡基金会(heison – simons Foundation)、劳伦莱赫特曼(Lauren Leichtman)和阿瑟莱文(Arthur Levine)、霍华德和阿斯特丽德普雷斯顿(Howard and Astrid Preston)的支持。
1998年，盖兹回答了天文学最重要的问题之一，帮助证明了超大质量黑洞位于我们银河系的中心。这个问题在天文学家之间争论了超过25年。
Ghez帮助开发的一项名为自适应光学的强大技术可以实时纠正地球大气的扭曲效应。通过凯克天文台的自适应光学，Ghez和她的同事揭示了关于超大质量黑洞周围环境的许多惊奇。例如，他们发现了一些年轻的恒星，而这些年轻的恒星是不可能被观测到的，而一些古老的恒星则是不可能被观测到的。目前还不清楚S0-2是年轻的，还是只是伪装成一个年轻的明星，Ghez说。
2000年，她和同事报告说，天文学家第一次看到恒星在超大质量黑洞周围加速。在2003年，Ghez报告说，银河系黑洞的情况已经得到了极大的加强，所有提出的替代方案都可以排除在外。
2005年，Ghez和她的同事在凯克天文台拍摄了第一张清晰的银河系中心照片，包括黑洞周围的区域。2017年，Ghez的研究团队报告说S0-2没有伴星，这解开了另一个谜团。
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