爱因斯坦又对了!恆星靠近黑洞首次证实重力红移

时间:2020-07-23 作者:
爱因斯坦又对了!恆星靠近黑洞首次证实重力红移

在银河系的中心,距离地球 2.6 万光年的射手座,有一个质量相当于太阳 400 万倍的巨型黑洞,一小群星体围绕着这超级重力场高速运行,就在这里,天文学家首次证实爱因斯坦广义相对论中有关重力红移的理论。

这场验证花了近 20 年时间,德国嘉兴马克斯普朗克地外物理研究所的团队持续追蹤其中一颗名为 S2 的恆星,终于在今年 5 月 19 日,目睹 S2 以最近的距离绕过黑洞,产生的重力红移现象。

我们知道,重力不单令光线弯曲,也能拉伸光波波长。黑洞产生的重力场非常强大,当光波经过黑洞,逐渐远离时,可以想像光的粒子,要由重力井边缘爬出来,必须消耗能量,但光的粒子不会慢下来,它还是要以光速前进,于是就得以另一种方式消耗能量,而这种消耗就表现于光波被拉长,整体频谱会往红色端方向偏移,所以称为重力红移,gravitational redshift。爱因斯坦的广义相对论早就提出了重力红移,到今天,天文学家才首次观测到。

S2 以椭圆轨道围绕黑洞运行一周要 16 年,天文学家在这些年持续不断追蹤它。对上一次 S2 最靠近黑洞是 2002 年,当时天文望远镜的技术仍未能观测这个现象,到今天已经有两队天文学家以最新的仪器追蹤它。除了德国由天文物理学家 Reinhard Genzel 率领的团队之外,美国天文学家 Andrea Ghez 的团队亦在夏威夷以凯克望远镜紧追 S2 的动向,尤其是今年 5 月 19 日及前后的一段时间。

两个团队均发现,当 S2 以最短距离绕过黑洞时,速度高达每秒钟约 8,000 公里,即是相当于光速的约 2.7%,而其光波的确拉长了。

两个团队都表示,这次观测有助了解黑洞之谜,并会继续监测 S2 的轨迹,同时希望观测 S2 附近同样围绕黑洞的其他星体,包括重力对它们的轨道的影响,并寄望日后有更强大的天文望远镜,可以观测到物质掉进黑洞,甚至时间空间被黑洞扭曲。

Reinhard Genzel 团队的研究报告已发表于 Astronomy & Astrophysics。

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