【文/ 觀察者網(wǎng)專(zhuān)欄作者 徐令予】

2018年夏天，赤日炎炎如火燒。但是全世界天文學(xué)家眼中的熱點(diǎn)卻不在地面，他們把目光投向了我們銀河系的中心。

我們的銀河系中心有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，一顆稱(chēng)之謂S0-2的恒星與這個(gè)黑洞近距離擦肩而過(guò)，世界上有兩組天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)對(duì)這顆玩命的S0-2恒星追蹤觀測(cè)已有20多年了。今年5月，S0-2到達(dá)離黑洞最近的位置上，超級(jí)黑洞周?chē)臅r(shí)空彎曲導(dǎo)致S0-2輻射光線產(chǎn)生引力紅移。對(duì)S0-2引力紅移的精確測(cè)量，再一次驗(yàn)證了在特殊條件下廣義相對(duì)論的正確性。愛(ài)因斯坦，又是你對(duì)！

銀河系中心的Sgr A*黑洞和在其周?chē)@行的S0-2恒星。

引力紅移并不是新的物理現(xiàn)象，作為廣義相對(duì)論早期的三大“天文驗(yàn)證”就包括了白矮星光譜的引力紅移（另二項(xiàng)為水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)和光線在太陽(yáng)附近經(jīng)過(guò)時(shí)的彎曲）。正是這三大實(shí)驗(yàn)結(jié)果為愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論作出了堅(jiān)實(shí)的背書(shū)。

大質(zhì)量天體引起周?chē)臅r(shí)空彎曲是導(dǎo)致引力紅移的本質(zhì)原因，在彎曲時(shí)空中周期運(yùn)動(dòng)變慢正是時(shí)間變慢的反映。直接從廣義相對(duì)論原理出發(fā)解釋引力紅移比較抽象，我們也可以換個(gè)角度來(lái)理解引力紅移的現(xiàn)象。由于星體周?chē)哂泻軓?qiáng)的引力場(chǎng)，當(dāng)光從引力場(chǎng)陷阱中逃逸出來(lái)時(shí)，就會(huì)失去部分能量。根據(jù)光子能量的公式E=hν，光的能量與其頻率成正比，如果光的能量減少，它的頻率也會(huì)隨之降低，所以波長(zhǎng)變長(zhǎng)。

引力紅移示意圖。

引力紅移的觀測(cè)方法是用攝譜儀拍下天體的光譜，求出紅移量，扣除多普勒效應(yīng)的運(yùn)動(dòng)紅移及其他因素引起的紅移，便得到引力紅移。引力紅移不僅可為確認(rèn)天體質(zhì)量提供依據(jù)，也可為研究天體的時(shí)空結(jié)構(gòu)提供更多信息。

對(duì)于諸如太陽(yáng)這樣的普通恒星，由于其引力場(chǎng)相對(duì)較弱，所以從這些恒星表面發(fā)出的光不會(huì)出現(xiàn)顯著的引力紅移現(xiàn)象，它們?cè)诘厍蛏虾茈y直接探測(cè)到。天文學(xué)家最早在白矮星發(fā)出的光譜中探測(cè)到引力紅移的現(xiàn)象，這是由于白矮星是恒星演化末期坍縮的產(chǎn)物，其密度極高，表面有較強(qiáng)的引力場(chǎng)。

為了深入研究引力紅移，天文學(xué)家一直在尋找更大質(zhì)量更高密度的天體。大質(zhì)量的黑洞是研究引力紅移的好目標(biāo)，但黑洞本身沒(méi)有光線輻射，所以退而求其次，尋找路過(guò)大質(zhì)量黑洞近處的恒星就成了天文學(xué)家的夢(mèng)想和追求。這就是為什么天文學(xué)家對(duì)S0-2恒星無(wú)悔追蹤幾十年的原因。

S0-2恒星以極端橢圓形的軌道繞著銀河系中心的黑洞運(yùn)動(dòng)，這個(gè)稱(chēng)為Sgr A* （讀音為：Sagittarius A star）的黑洞的質(zhì)量是我們太陽(yáng)的400萬(wàn)倍！S0-2恒星軌道繞行周期為16年，今年5月飛過(guò)黑洞的最近點(diǎn)，距離黑洞200億公里（即17個(gè)光時(shí)），沒(méi)有任何其他已知的恒星比它更接近了。

當(dāng)然質(zhì)量為太陽(yáng)400萬(wàn)倍的Sgr A*黑洞絕對(duì)不是宇宙空間的重量級(jí)冠軍，但是它位于我們自已銀河系的中心，離我們僅26,000光年，而其它一些超大質(zhì)量黑洞都離開(kāi)我們地球幾億甚至幾十億光年之外，它們實(shí)在太遙遠(yuǎn)了，對(duì)它們的精確觀察測(cè)量有許多技術(shù)困難。這就是為什么S0-2在今年夏天成了世界天文學(xué)家追星的目標(biāo)。

7月26日，由德國(guó)馬克斯普朗克的外星物理研究所的Reinhard Genzel領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組在新聞發(fā)布會(huì)上宣布了這次科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，有關(guān)論文刊登在《天文學(xué)和天體物理學(xué)》學(xué)術(shù)期刊上。

在超級(jí)黑洞的近距離范圍中，Genzel的團(tuán)隊(duì)探測(cè)到S0-2恒星的引力紅移與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)完全一致。巴黎天文臺(tái)的天體物理學(xué)家?jiàn)W德?tīng)査固貏诓颊f(shuō)：“我們測(cè)量的東西不能再由牛頓力學(xué)來(lái)描述?！睂?shí)驗(yàn)取得了巨大成功。

本次科學(xué)實(shí)驗(yàn)的意義從某種角度來(lái)看，于其說(shuō)是對(duì)基礎(chǔ)理論的檢驗(yàn)，還不如說(shuō)是對(duì)高新技術(shù)的考驗(yàn)。廣義相對(duì)論誕生百年來(lái)已經(jīng)接受過(guò)許多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論是對(duì)的應(yīng)該不算新聞，相對(duì)論是錯(cuò)的才是大新聞。當(dāng)然本次的實(shí)驗(yàn)的物理?xiàng)l件更苛刻極端，觀察也更直接，正因如此，實(shí)驗(yàn)的手段和技術(shù)裝備才是更大的看點(diǎn)。其中的甚大望遠(yuǎn)鏡VLT(Very Large Telescope)和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的成功作出了特殊貢獻(xiàn)。

甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)是歐洲南方天文臺(tái)建造的位于智利帕瑞納天文臺(tái)的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它由4臺(tái)口徑都是8.2米的望遠(yuǎn)鏡組成。VLT的4臺(tái)望遠(yuǎn)鏡既可以分開(kāi)單獨(dú)使用，也可以組成光學(xué)干涉儀進(jìn)行高分辨率觀測(cè)。作為干涉儀工作時(shí)，VLT具有相當(dāng)于口徑16米的望遠(yuǎn)鏡的聚光能力和口徑130米的望遠(yuǎn)鏡的角分辨率。

甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)由4臺(tái)口徑都是8.2米的大型望遠(yuǎn)鏡組成。建于智利的色洛·帕瑞那，海拔2632米。

由兩臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡組成光學(xué)干涉儀的工作原理圖。