这是恒星S0-2经过星系中心的超大质量黑洞时的艺术图像，它扭曲了空间和时间的几何形状。当恒星靠近超大质量黑洞时，它的光会发生引力红移，这是爱因斯坦的广义相对论所预测的。(美国国家科学基金会图表作者:Nicolle R. Fuller)
加利福尼亚大学的天文学家们在银河系中心巨大黑洞的坩埚中测试了阿尔伯特·爱因斯坦的相对论，发现它是岩石状的固体。现在。
这个由加州大学洛杉矶分校天文学家安德里亚·盖兹(Andrea Ghez)领导的研究小组，在加州大学伯克利分校天文学助理教授杰西卡·卢(Jessica Lu)的关键分析下，追踪了一颗绕黑洞轨道运行的恒星。这种效应，引力红移，与爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论的预测完全吻合。
“测量超大质量黑洞周围的引力红移，实际上是检验广义相对论的新时代的开始，”卢说。“我们的银河系中心是一个特殊的地方，一个独特的地方，因为我们可以详细研究超大质量黑洞的物理学和天体物理学。在其他星系几乎不可能做到这一点。”
广义相对论把引力看作是空间和时间的一种扭曲，它已经在我们的太阳系中得到了证实，并在高密度、太阳质量的中子星或脉冲星对之间的相互作用中得到了证实。但是对超大质量物体的测试——星系中心的黑洞的质量相当于400万个太阳——可能会揭示广义相对论无法解释宇宙的地方，因此有必要进行修正。
“我们知道，在某个时刻，广义相对论一定会崩溃，因为它不符合量子力学，所以它只是一个不断寻找断点在哪里的过程，”卢说。
盖兹说:“我们完全可以排除牛顿万有引力定律，我们的观测结果与爱因斯坦的广义相对论是一致的。”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。”
加州大学洛杉矶分校的Ghez, Lu和他们的同事在今天的《科学》杂志上发表了他们的发现。
红移、蓝移
黑洞之所以是黑色的，是因为从表面或视界发出的光无法逃逸:它没有足够的能量。光线反射回来，绕着黑洞旋转，最后在黑洞内部消失，所以我们看到的都是黑色的。
加州大学的研究小组跟踪了恒星SO-2，它离事件视界足够远，仍然可见。尽管如此，广义相对论认为它发出的光在到达地球时将会失去能量并变得更红，而地球距离银河系中心大约26,000光年。
此外，狭义相对论解释了为什么以不同速度旅行的人对时间和空间的看法是不同的，它说，恒星的速度会导致光在向我们移动时更蓝，在远离我们时更红。
该团队使用了24年的观察，发现了这两种效应。当SO-2离黑洞最近的时候——大约是地球到太阳距离的120倍，或者120个天文单位——当光线从黑洞的重力井中爬出来时，它失去了大约0.03%的能量。
而且，在最接近的时候，当它以1600万英里每小时的速度——接近光速的3%——红移和蓝移完全符合狭义相对论的预测。由于广义相对论的存在，SO-2的速度比牛顿17世纪理论所预测的牛顿引力要快107英里每小时。
恒星围绕银河系中心特大质量黑洞的轨道。S0-2恒星是第一个有足够的测量数据来测试超大质量黑洞周围的广义相对论的恒星。(图片由凯克/加州大学洛杉矶分校银河中心小组提供)
一年前，加州大学伯克利分校(UC Berkeley)天体物理学家、德国马克斯普朗克地外物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)所长莱因哈德•根泽尔(Reinhard Genzel)领导的一个竞争团队也报告了类似的结果。这些结果出现在苏-2 16年轨道上的三个关键事件之前:它最接近黑洞，被称为佐贺*(发现于人马座南部方向);它相对于地球的运动速度最快，也最蓝移;以及相对于地球最慢、最红移的运动。
新的分析结果包括了这三个事件，为广义相对论提供了一个更好的检验，并使其成为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。
“这颗恒星SO-2的轨道非常偏心:它离佐贺星最远的时候，距离最近的时候16.5倍远，”卢说。“它真的会俯冲进去，绕着黑洞旋转，然后再飞回来，在很远的地方停留很长一段时间。它经过最近距离的时间非常短，但测量起来非常重要。”
这些测量数据还为星系中心的黑洞提供了一个更精确的质量——398.4万倍于太阳的质量——并将其距离精确到7971秒(25916光年)。
卢领导的天文测量小组使用夏威夷凯克天文台的两台10米望远镜，精确测量了苏-2相对于佐贺*在天空中的位置。那些望远镜配备了自适应光学装置以消除大气中的模糊。Ghez和Do领导的小组测量了从SO-2发出的红光和蓝光的移动。这些数据提供了测试相对论所必需的恒星轨道的三维位置。
夏威夷Maunakea上的双凯克望远镜发射的激光沿着星系中心的方向传播，而星系中心是位于银河系核心的超大质量黑洞的位置。每一束激光都是自适应光学系统的一部分，制造出一颗人造恒星，可用于纠正地球大气层’s造成的模糊，从而允许对黑洞周围恒星的运动进行精确跟踪。(照片由Ethan Tweedie提供，2013)
研究小组急切地想通过天文测量苏-2轨道的进动，即广义相对论预测的轨道平面的逐渐旋转，来再次检验相对论。早期对相对论的一个关键检验是它对水星轨道进动异常的解释，而水星轨道进动异常原来是由于太阳引力造成的时空扭曲。
她说:“我们星系中的超大质量黑洞佐贺*周围的恒星也应该显示出这种轨道进动，就像水星一样。”“我们以前从未在超大质量黑洞周围测量过。这将是对广义相对论的又一次探索。”
来自日本、德国、法国、西班牙和美国的研究人员与Lu、Ghez和Do共同撰写了这篇论文。在过去的25年里，美国国家科学基金会一直在资助加州大学洛杉矶分校银河中心小组，另外还有来自凯克基金会、戈登和贝蒂摩尔基金会以及海辛-西蒙斯基金会的资金。
相关信息
- 绕星系中心特大质量黑洞运行的S0-2恒星的相对论红移(科学首次发布)
- 加州大学洛杉矶分校新闻稿&视频
- 杰西卡Lu’s网站
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