通过在这些极端环境下的测试,研究人员希望可以看到是否有某些测量值会偏离广义相对论。“这将为我们提供新的物理线索。”Do说。

■本报记者 唐凤

“S0-2的特别之处在于它的完整轨道是三维的。”Ghez说,“这给了我们进入广义相对论测试的‘入场券’。我们了解了引力在超大质量黑洞附近的行为,以及爱因斯坦的理论是否告诉了我们全部的‘故事’。看到恒星走完整个轨道,为测试基础物理学提供了第一个机会。”

黑洞具有超强引力,也被认为是检验广义相对论强引力场理论的“完美实验室”。因此,Ghez团队对超大质量黑洞附近的现象进行了直接测量,Ghez将其描述为“极端天体物理学”。

最详细研究

Ghez的团队观察一颗被称为S0-2的恒星在银河系中心超大质量黑洞周围的三维空间中走完一个完整轨道的情况。S0-2走完整个轨道需要16年,而该黑洞的质量大约是太阳的400万倍。

Ghez提到,在爱因斯坦发表广义相对论100多年后,这一理论开始受到质疑。

美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)物理学和天文学教授Andrea Ghez研究组在7月25日的《科学》上发表报告,支持了爱因斯坦的广义相对论。

此外,由该校James Larkin领导的团队在UCLA建造的光谱仪上,利用夏威夷凯克天文台收集的光谱,以之前无法达到的精度揭示了S0-2的运动。研究人员在凯克天文台拍摄的恒星图像提供了另外两个维度。

爱因斯坦1915年提出的广义相对论认为,我们所感知的重力来自时空曲率,像太阳和地球这样的物体会改变几何形状。

实际上,去年夏天,Ghez就有机会发表部分数据,但是为了让团队先全面分析数据,她选择不发表。

下一步,研究人员计划测试广义相对论预测的时空特性。“我们的目标是测量S0-2的进动,或者说轨道的旋转。牛顿引力预测恒星在走完一个轨道后会回到相同的位置,但是在广义相对论中,恒星轨道进动,所以它会回到一个稍微不同的位置。通过观测未来几年S0-2的位置,我们应该能够探测到这种差异。”Do说。

“实际上,人们并不是真的在怀疑广义相对论,而是这个理论不完整。”Do说,“我们知道广义相对论很难描述非常小但重力非常大的物体,比如黑洞。这就是为什么我们想要测试广义相对论关于黑洞的预测。”

“我们的结论是,爱因斯坦是对的,至少目前来看是这样。”该论文通讯作者、UCLA物理与天文学系的Tuan Do在接受《中国科学报》采访时说,“我们正在测试的一项广义相对论的内容是,光在黑洞强引力下的行为。”

现在,研究人员在银河星系中心巨大黑洞的附近进行了最全面的广义相对论测试。

之所以选择S0-2有数个原因。Do提到,它是黑洞附近最亮的恒星之一,且周期很短,只有16年。“这意味着我们能够得到关于这颗恒星的大量数据。”他说。

最终,研究人员检测了相对论红移和重力红移的组合,并用红移参数y进行量化。得出的结果y=0.88±0.17,与广义相对论(y=1)相吻合,排除了牛顿模型(y=0),统计学标准偏差值为5。

“我们正在学习重力是如何作用的。它是4种基本力量之一,也是我们测试最少的一种。有很多问题我们还没有问,比如重力是如何在这里工作的?”Ghez 说,“我们很容易过于自信,有很多方法会误读数据,很多小错误会累积成大错误,这就是为什么我们没有匆忙进行分析。”

研究人员研究了从S0-2到地球的光子。在离黑洞最近的时候,S0-2以每小时1600多万英里的惊人速度绕着黑洞运动。爱因斯坦曾认为,在靠近黑洞的这个区域,光子必须做额外的工作。它们离开恒星时的波长不仅取决于恒星移动的速度,还取决于光子为逃离黑洞强大的引力场而消耗的能量。

拿到入场券

Do提到,广义相对论认为,当光从恒星向我们传播时,它将失去能量。能量的损失意味着光变得更红,这就是为什么它被称为引力红移。“我们测量到的红移与广义相对论的预测是一致的,但与牛顿关于引力的预测非常不同。”

无论如何,Ghez认为,现在看来,爱因斯坦的理论是对引力如何起作用的最好描述。