近期Science和Nature同時在線發(fā)布了一條消息關于天文學家通過觀測銀河系中心大質量黑洞附近恒星的引力紅移進一步驗證了愛因斯坦廣義相對論。
科學家追蹤這一區(qū)域的恒星將近30年的時間了，終于捕捉到了我們星系內巨型黑洞對其周圍恒星發(fā)出光的撕扯。引力紅移是愛因斯坦廣義相對論預言的一種現(xiàn)象，但是在黑洞附近被探測到尚屬首次。
圖1 黑洞附近的引力紅移（藝術構想）
來源：馬克斯·普朗克天體物理研究所官網
這一發(fā)現(xiàn)近日發(fā)表在了《Astronomy & Astrophysics》上，研究團隊包括德國普朗克研究所在內的多個國家的研究人員。他們最早從1990年代就開始關注銀河系中心附近的恒星，利用歐洲南方天文臺位于智利的望遠鏡等設備，最終將目標鎖定在一顆名為S2的恒星。該星以橢圓軌道（周期16年）圍繞黑洞運動，這個黑洞就是位于距離地球26000光年遠的人馬座A*（Sgr A*）。
人馬座A*（Sagittarius A*，簡寫為Sgr A*）是位于銀河系銀心一個非常光亮及致密的射電源，大約每11分鐘旋轉一圈。太陽系圍繞銀河系中心做公轉運動的周期約為22600萬年，也就是2.26億年。
太陽系繞銀河系中心轉一周的時間稱為一個宇宙年。人馬座A*很有可能是離我們最近的超大質量黑洞的所在，有大約400萬個太陽質量，產生的強大引力場成為捕捉引力效應的理想實驗場所。
圖2 銀河系中心圖像，那里隱藏著一個大質量黑洞，圖中紅叉標記的位置。
來源：馬克斯·普朗克天體物理研究所官網
2018年的5月19日，S2到達了距離黑洞最近的位置。研究人員利用GRAVITY（GRAVITY是用于精密窄角天體測量和干涉成像的第二代VLTI儀器）對其進行了追蹤觀測，最快時7600km/s的速度蹽過。
結合其他觀測數(shù)據(jù)研究人員探測了恒星的引力紅移，這可以幫助描述光的波長是如何被黑洞的引力拉長的。通過研究S2的引力紅移并與牛頓力學、廣義相對論以及其他引力理論比較，他們的研究結果顯示牛頓理論對引力紅移的解釋在這里失效了（在大質量黑洞附近的恒星運動中還是第一次），結果與廣義相對論的預測十分相符。
未來的觀測可能證實愛因斯坦其他預言，比如旋轉黑洞是如何彎曲它周圍的時空的。
圖3 左邊為應用不同觀測手段得到的S2圍繞sgrA*的軌道；右上表示S2在不同時間的視向速度；右下顯示了S2靠近中心大質量黑洞時的運動，最近時以接近3%光速的速度運動。
來源：文獻5
擴展閱讀：引力紅移
引力紅移，是強引力場中天體發(fā)射的電磁波波長變長的現(xiàn)象。由廣義相對論可推知，當從遠離引力場的地方觀測時，處在引力場中的輻射源發(fā)射出來的譜線，其波長會變長一些，也就是紅移。
只有在引力場特別強的情況下，引力造成的紅移量才能被檢測出來。但由于遙遠恒星的質量和半徑難以確定，因此理論和實驗有一定誤差。
引力紅移現(xiàn)象首先在引力場很強的白矮星上檢測出來(天狼星伴星、波江座40伴星B)。二十世紀六十年代，龐德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡爾效應的實驗方法，測量由地面上高度相差22.6米的兩點之間引力勢的微小差別所造成的譜線頻率的移動，定量地驗證了引力紅移。
廣義相對論對引力紅移的描述
靜止于無窮遠的觀測者所看到的，來自恒星表面光子的頻率移動：
定義紅移相對值為：
用泰勒級數(shù)展開：
保留一級近似：
牛頓理論對引力紅移的描述：
利用引力質量與慣性質量相等、質能關系、萬有引力定律也能解釋引力紅移。 如從太陽表面飛向無窮遠的光子，其能量消耗為：
M為太陽質量，R為太陽半徑，m為光子引力質量。最后可推出相對紅移量為：
可以看出在一級近似下廣義相對論和萬有引力定律結果沒有差異，二級近似下有差異。之前的觀測和穆斯堡爾效應的測量都只能到一級近似，無法鑒別兩種理論哪個更符合實際。
最近的觀測看來站在了相對論的一邊，在極端引力條件下，牛頓力學失效了。 目前我們知道的紅移機制有兩種，一是多普勒紅移，一是引力紅移。一直以來，人們認為宇宙學紅移是多普勒紅移；近年來，人們認識到二者有本質不同，宇宙學紅移是空間膨脹造成的，多普勒紅移是光源在空間中運動造成的。宇宙學紅移本質上講仍屬于引力紅移。
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]廣義相對論基礎.趙崢等.清華大學出版社.
