恆星小兵與超大質量黑洞互動見真章,廣義相對論再通過瘋狂考驗

作者 | 發布日期 2018 年 07 月 30 日 12:54 | 分類 天文 , 自然科學 , 航太科技 follow us in feedly

天文學家對銀河系中心長達 26 年的觀測再揭高潮!由德國馬克斯‧普朗克地外物理學研究所團隊領導的研究宣布,愛因斯坦於廣義相對論所預測的重力紅移現象,首度從超大質量黑洞周圍的極端引力場驗證通關。



重力紅移(gravitational redshift),指光波或者其他波動從強引力場源(如巨大星體或黑洞)遠離時,整體頻譜會往紅色端方向偏移,也就是發生「頻率變低、波長增長」現象。

過去已有許多實驗結果支持重力紅移存在,但現在,科學家是第一次從銀河系中心的超大質量黑洞人馬座 A*(Sgr A*)周遭,觀察到一顆極接近且環繞黑洞運行的恆星 S2(軌道週期只約 16 年)紅移數據接近完美,愛因斯坦的論點再次承受住巨大考驗。

人馬座 A* 距離我們約 26,000 光年遠,周圍有一小群高速繞行的恆星,從地球看去,人馬座 A* 通常很安靜,但質量高達太陽質量 400 萬倍,造就銀河系最強引力場,此極端環境也成為後世天文學家測試愛因斯坦理論的最佳場所之一。

2018 年 5 月,科學家發現 S2 恆星繼 2002 年後再度來到極靠近黑洞的位置(其實要說恆星在大約 26,000 年前近距離經過黑洞,只是它的光最近才擊中我們的望遠鏡),距離不到 200 億公里,時速高達 2,500 萬公里(約光速 3%),正是科學家研究重力紅移的好時機。

過去想從黑洞周圍觀察一顆高速恆星絕非易事,首先,黑洞距離我們很遠;其次,銀河系中心籠罩在厚厚塵埃雲裡,無法觀測到可見光,必須仰賴紅外感測器穿透灰塵來追蹤紅外光源。

新研究領導者、馬克斯‧普朗克地外物理學研究所(Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik,MPE)天體物理學家 Reinhard Genzel 表示,這是團隊第 2 次觀察到 S2 從超大質量黑洞周圍近距離通過,但這回由於 ESO 儀器甚大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)大幅改進,才讓科學家得以用前所未有的解析度觀測恆星。

最後,團隊在記者會公布驚人研究成果──S2 恆星的重力紅移數據與牛頓預測的不一致,但與廣義相對論的預測完全一致,研究人員打趣這局是「愛因斯坦 1:0 牛頓」,底下人群瞬間爆出熱烈掌聲與歡呼。

《Sky and Telescope》解釋,根據廣義相對論,大質量物體會造成時空結構扭曲,即使是光也要沿著重力場的彎路走。當 S2 恆星接近人馬座 A* 時,恆星的光雖然還不至於被黑洞吞噬,但在努力爬出黑洞的重力位井十損失了些能量,於是我們看到頻譜中光的波長被拉伸,頻率向下偏移,這也是團隊在最新數據中觀測到的現象。

我們不知道究竟還需要多極端的環境才有可能找到愛因斯坦理論的裂縫,不過團隊正在緊鑼密鼓進行第二個觀測,準備測試相對論另一個稱為史瓦西進動(Schwarzschild precession)的效應。新研究發表在《天文學與天體物理學》期刊。

(首圖來源:歐洲太空總署