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面对超大质量黑洞,广义相对论的预测再度通过验证



科学家这次又锁定了哪个目标来考验爱因斯坦的广义相对论呢?答案是我们银河系的超大质量黑洞。透过观察 S2 恒星在黑洞周围的种种行为长达 24 年,加州大学洛杉矶分校团队再次验证了等效原理,尽管至今不少人提出对广义相对论的质疑,事实告诉我们这项理论依然坚如磐石。

若问地球方圆 100 万光年内最极端的天体是谁,当属银河系中心的超大质量黑洞人马座 A*,质量达太阳 400 万倍,是测试爱因斯坦广义相对论的最佳对象之一。

由加州大学洛杉矶分校天文学家 Andrea Ghez 领导的团队,自 1995 年起就开始利用凯克望远镜观察名为「S2」的恒星与人马座 A* 的互动,此恒星周期约 16 年,轨道离心率极高;时光荏苒,一转眼来到 2018 年,S2 恒星出现在最靠近黑洞的位置(离黑洞事件视界约只有 180 亿公里,或说海王星公转轨道直径的 2 倍长)。

▲ S2 恒星轨道。

广义相对论预测此时恒星光会受黑洞引力影响,观测时出现「重力红移」(Gravitational redshift)现象,当年,马克斯‧普朗克外空物理学研究所天体物理学家 Reinhard Genzel 团队证实了这项预测,并发现 S2 恒星的速度被黑洞引力提高达到光速 2.7%(约时速 2,500 万公里)。

而 Andrea Ghez 团队长达 24 年的研究最近发布,则以独立数据再度佐证 S2 恒星的光被黑洞引力拉伸,重力红移结果与爱因斯坦广义相对论的预测一致,而与牛顿的预测结果有 5 个标准差,简单说,在大范围下完全可以排除牛顿的万有引力定律。

S2 恒星在去年 3 月达到最大视距速度(line-of-sight velocity),同年 9 月视距速度又降至最低,Andrea Ghez 团队将这段期间的光谱数据与 1995~2017 年的观测结果相结合,以 3D 方式重建恒星轨道,再次验证广义相对论的等效原理。

此外,新研究也算出人马座 A * 更精准的的质量与距离:3,946,000 倍太阳质量,不确定性 1.3%;和地球的距离为 7,946 秒差距(25,900 光年),不确定性仅 0.7%。

面对宇宙最深不可测的天体,爱因斯坦又一次夺得胜利,广义相对论至今还没有让我们走向歧途。新论文发布在《科学》期刊。

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