那顆向黑洞靠近的恆星，證明了什麼？

當一束星光逃離一片具有強大引力場的區域時，光的波長會被拉長，使這束光變得更紅。這個過程正是廣義相對論所預言的「引力紅移」。在一項最新的研究中，天文學家第一次在超大質量的黑洞周圍觀測到了這一現象，與愛因斯坦的理論所預言的一致。

○ 光子（圖中波浪線）在克服引力場的作用下會失去能量，產生引力紅移。

為了弄清楚究竟發生了什麼，我們首先需要進入距離地球2.6萬光年遠的銀河系的中心。在那裡，有一個超大質量黑洞，被稱為Sgr A*（人馬座A*），其質量大約是太陽的400萬倍。該黑洞產生的引力場是銀河系中最強的，這使它成為了尋找相對論效應的理想之地。

但是，對銀河系中央的進行觀測是件非常困難的事情，因為它隱藏在緻密的塵埃和氣體雲後，使我們無法通過可見光看到它。但是，隨著紅外探測器的發明，我們便擁有了穿透這層厚重的雲的能力。在雲的背後，是成千上萬顆的恆星，圍繞著SgrA*運行。

這些靠近Sgr A*的恆星會感受到極強的引力，它們就像行星繞著太陽一般繞著黑洞轉，且軌道呈橢圓形。與太陽系中行星幾乎都在一個平面運行的情況不同，這些恆星繞行黑洞的軌道是隨機定向的，而且軌道周期更長，在幾十到幾百年之間。

○ 從模擬中可以看到，有一群的恆星圍繞著銀河系中心的超大質量黑洞運轉。| 圖片來源：L. CAL?ADA/SPACEENGINE.ORG/ESO

在眾多圍繞著Sgr A*的恆星中，有一顆特別的恆星，它被稱為S2。S2離黑洞特別近，其軌道速度可達到光速的3%（≈7650公里/秒），並且它足夠明亮，使得天文學家能夠對它進行詳細的測量。恆星S2圍繞Sgr A*轉一圈只需要16年，這意味著在一名天文學家的一生中，至少可以研究一次它的完整軌道。

天文學家從1992年開始就對S2的軌道進行觀測。在2002年時，它距離黑洞最近，可惜當時的望遠鏡還不夠精確，無法做出必要的測量。直到2018年5月，S2再次靠近距離黑洞只有200億公里（相當於17光時）的最近地點。而這次，天文學家已經準備好了。

○ 使用VLT的三個儀器NACO、、SINFONI（可以精確地測量恆星的徑向速度）和GRAVITY（可以給出非常清晰的圖像和精確的位置）對圍繞著SgrA*的S2進行監測。| 圖片來源：[1]

兩個研究小組分別使用凱克天文望遠鏡（Keck telescopes）和甚大望遠鏡（VLT）對S2進行了追蹤。為了更精確的在眾多恆星中定位單個恆星，研究人員使用了一種叫自適應光學的技術，它能幫助抵消由地球大氣所造成的扭曲。由Reinhard Genzel領導的歐洲團隊使用VLT的四台望遠鏡作為干涉儀，將收集到的光組合在一起，其解析度相當於一台直徑為130米的超級望遠鏡。

○ 恆星S2繞行SgrA*的軌道。| 圖片來源：[1]

研究人員在5月19日（S2最靠近黑洞的時候）前後定期對S2進行了監測。通過圖像，他們可以跟蹤恆星在天空中的視路徑；利用光譜儀，他們可以通過恆星的多普勒頻移測量它朝向或遠離地球的「徑向速度」。天文學家希望看到愛因斯坦預言的兩種效應：首先，研究人員希望探測到光子從黑洞強大的引力場逃逸時導致的能量減少，這是引力紅移效應。其次，他們也希望看到愛因斯坦的狹義相對論預言的相對論性橫向多普勒效應，這是當一個物體的運動方向與視線相切發生的紅移。

Genzel團隊看到了相對論效應的聯合作用，黑洞的引力將S2的徑向速度紅移了200公里/秒——整體速度的一小部分。其結果和相對論的預測吻合，與牛頓引力預測的不一致。

○ 當恆星S2經過銀河系中心的黑洞時，強大的引力場導致它的光的波長朝光譜的紅端移動。今年四月，從地球的視線看，S2達到了最大速度；五月，它距離銀河系的中心最近；八月下旬和九月初，從地球的視線看，它的速度將降到最低。| 圖片來源：ESO/M. Kornmesser

過去，無論是地球上的實驗，還是在天體物理現象中，廣義相對論都經受住了嚴格的考驗。其中最嚴格的包括雙中星和雙黑洞合併輻射出的引力波。但這些情況下涉及到的天體質量最多只有幾十個太陽質量。在Sgr A*這樣的極端引力場下對廣義相對論進行檢驗還是第一次，物理學家渴望知道在這種條件下相對論是否還站得住腳。

這兩個團隊都預測了愛因斯坦的理論會得到進一步的證實。此次的結果只是檢驗廣義相對論的一個開端。在接下來的一兩年里，他們期望看到S2的軌跡與16年前會稍有不同。這是因為相對論預測了一種被稱為「史瓦西進動（Schwarzschild precession）」的現象，在每一周的循環路徑中，恆星軌道的軸線都會出現微小的位移。這與水星圍繞著太陽所出現的情況類似（如下圖）。研究人員已經開始看到這個現象，但還需要收集一兩年的數據以得到進一步肯定。

○ 史瓦西進動與水星進動類似。| 圖片來源：E. OTWELL

下一步，研究人員將試圖尋找比S2更靠近Sgr A*的恆星。追蹤它們的軌道允許研究人員測量黑洞的自轉速度。越來越靈敏的儀器可以探測到以一半光速落入黑洞的物質，以及從黑洞兩極射出的噴流。天文學家正一步步地揭開這顆離我們最近的超大質量黑洞的神秘面紗。

參考來源：

[1] https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2018/07/aa33718-18.pdf

[2] http://www.sciencemag.org/news/2018/07/star-s-black-hole-encounter-puts-einstein-s-theory-gravity-test

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