徐令予：在超級黑洞的邊緣，廣義相對論再次經受檢驗
guancha
【文/ 觀察者網專欄作者 徐令予】
2018年夏天，赤日炎炎如火燒。但是全世界天文學家眼中的熱點卻不在地面，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超大質量的黑洞，一顆稱之謂S0-2的恆星與這個黑洞近距離擦肩而過，世界上有兩組天文學家團隊對這顆玩命的S0-2恆星追蹤觀測已有20多年了。今年5月，S0-2到達離黑洞最近的位置上，超級黑洞周圍的時空彎曲導致S0-2輻射光線產生引力紅移。對S0-2引力紅移的精確測量，再一次驗證了在特殊條件下廣義相對論的正確性。愛因斯坦，又是你對！
銀河系中心的Sgr A*黑洞和在其周圍繞行的S0-2恆星。
引力紅移並不是新的物理現象，作為廣義相對論早期的三大“天文驗證”就包括了白矮星光譜的引力紅移（另二項為水星近日點進動和光線在太陽附近經過時的彎曲）。正是這三大實驗結果為愛因斯坦的廣義相對論作出了堅實的背書。
大質量天體引起周圍的時空彎曲是導致引力紅移的本質原因，在彎曲時空中週期運動變慢正是時間變慢的反映。直接從廣義相對論原理出發解釋引力紅移比較抽象，我們也可以換個角度來理解引力紅移的現象。由於星體周圍具有很強的引力場，當光從引力場陷阱中逃逸出來時，就會失去部分能量。根據光子能量的公式E=hν，光的能量與其頻率成正比，如果光的能量減少，它的頻率也會隨之降低，所以波長變長。
引力紅移示意圖。
引力紅移的觀測方法是用攝譜儀拍下天體的光譜，求出紅移量，扣除多普勒效應的運動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天體質量提供依據，也可為研究天體的時空結構提供更多信息。
對於諸如太陽這樣的普通恆星，由於其引力場相對較弱，所以從這些恆星表面發出的光不會出現顯著的引力紅移現象，它們在地球上很難直接探測到。天文學家最早在白矮星發出的光譜中探測到引力紅移的現象，這是由於白矮星是恆星演化末期坍縮的產物，其密度極高，表面有較強的引力場。
為了深入研究引力紅移，天文學家一直在尋找更大質量更高密度的天體。大質量的黑洞是研究引力紅移的好目標，但黑洞本身沒有光線輻射，所以退而求其次，尋找路過大質量黑洞近處的恆星就成了天文學家的夢想和追求。這就是為什麼天文學家對S0-2恆星無悔追蹤幾十年的原因。
S0-2恆星以極端橢圓形的軌道繞着銀河系中心的黑洞運動，這個稱為Sgr A* （讀音為：Sagittarius A star）的黑洞的質量是我們太陽的400萬倍！S0-2恆星軌道繞行週期為16年，今年5月飛過黑洞的最近點，距離黑洞200億公里（即17個光時），沒有任何其他已知的恆星比它更接近了。
當然質量為太陽400萬倍的Sgr A*黑洞絕對不是宇宙空間的重量級冠軍，但是它位於我們自已銀河系的中心，離我們僅26,000光年，而其它一些超大質量黑洞都離開我們地球幾億甚至幾十億光年之外，它們實在太遙遠了，對它們的精確觀察測量有許多技術困難。這就是為什麼S0-2在今年夏天成了世界天文學家追星的目標。
7月26日，由德國馬克斯普朗克的外星物理研究所的Reinhard Genzel領導的一個小組在新聞發佈會上宣佈了這次科學實驗的結果，有關論文刊登在《天文學和天體物理學》學術期刊上。
在超級黑洞的近距離範圍中，Genzel的團隊探測到S0-2恆星的引力紅移與廣義相對論的預測完全一致。巴黎天文台的天體物理學家奧德爾斯特勞布説：“我們測量的東西不能再由牛頓力學來描述。”實驗取得了巨大成功。
本次科學實驗的意義從某種角度來看，於其説是對基礎理論的檢驗，還不如説是對高新技術的考驗。廣義相對論誕生百年來已經接受過許多次實驗驗證，愛因斯坦的相對論是對的應該不算新聞，相對論是錯的才是大新聞。當然本次的實驗的物理條件更苛刻極端，觀察也更直接，正因如此，實驗的手段和技術裝備才是更大的看點。其中的甚大望遠鏡VLT(Very Large Telescope)和自適應光學系統對本次實驗的成功作出了特殊貢獻。
甚大望遠鏡(VLT)是歐洲南方天文台建造的位於智利帕瑞納天文台的大型光學望遠鏡，它由4台口徑都是8.2米的望遠鏡組成。VLT的4台望遠鏡既可以分開單獨使用，也可以組成光學干涉儀進行高分辨率觀測。作為干涉儀工作時，VLT具有相當於口徑16米的望遠鏡的聚光能力和口徑130米的望遠鏡的角分辨率。
甚大望遠鏡(VLT)由4台口徑都是8.2米的大型望遠鏡組成。建於智利的色洛·帕瑞那，海拔2632米。
由兩台光學望遠鏡組成光學干涉儀的工作原理圖。
聯合多個望遠鏡組成光學干涉儀可以大大提高光學望遠鏡的角分辨率，其工作原理與合成孔徑的射電望遠鏡陣列是相同的。但是光波的波長遠遠小於微波波長，光學干涉儀的技術難度遠大於合成孔徑射電望遠鏡，其相關技術也只是近年來才逐步完善成熟。VLT的角分辨率高達0.0005角秒，比哈勃太空望遠鏡還要高出50倍，意味着它可以分辨距其64萬公里外一輛小轎車的兩個前車燈。
VLT能夠分辨64萬公里外汽車的兩個前燈，它無疑是當今世界上分辨率最高的天文望遠鏡，但是某位院士宣稱：“我的儀器可以清晰地看到木星軌道上的汽車車牌”。他的那個儀器的分辨率比VLT至少還要高出上萬倍！至於為什麼他的這個儀器沒有任何國際天文學家感興趣，其中的道理我就弄不明白了。
VLT的強聚光能力和高分辨率為本次實驗對S0-2星精確定位提供了可能性，但僅靠VLT是遠遠不夠的。因為本次實驗的重點是在紅外光範圍對目標物S0-2的位置座標、速度和光譜結構的精細測量，目標物的紅外光到達地面的VLT望遠鏡系統時會受到地球大氣層的嚴重干擾。大氣擾動使夜空中的星星像是在眨眼睛，這番景象讓人們感覺到詩意盈然，但是對天文學家來説則是無盡煩惱。雖然太空望遠鏡可以避免地面大氣層的尷尬，但是太空望遠鏡的鏡頭尺寸受到限制，並且其製造、維護和使用的費用甚高。近年來逐漸發展成熟起來的自適應光學系統就是幫助地面大型光學望遠鏡克服大氣層干涉的利器。
如圖5所示，自適應光學系統由波前探測器、波前控制器、波前校正器組成。波前探測器，主要是探測目標物近旁的對照星體的波前畸變，波前控制器對於自適應光學系統來説就如同計算機的CPU，通過波前探測器得到的波前數據，經過計算求得波前相位，然後通過控制系統反饋給波前校正器調節變形鏡的各子模塊來補償畸變波陣面，提高圖像精度。所以，自適應光學系統通常也簡單地稱之為變形鏡。自適應光學系統獲取的圖像幾乎可與在太空中拍攝的一樣清晰，它可以用來觀測亮度很低的天體，並且從中能夠獲得更多的細節。
自適應光學系統的基本原理
自適應光學系統的效果示意圖。右邊和左邊分別是有和無自適應光學系統的銀河系中心成像效果對比。
自適應光學系統工作時，必須有一個和觀測對象亮度相近的對照星體，用它來估算出地面大氣造成的干涉效應，從而對望遠鏡鏡面形狀進行相應調整以抵消大氣的干涉。因為夜空中的目標物旁邊找到合適的對照天體並非易事，於是只能通過向高空大氣層發射激光束產生激光導星作為對照星體，這就使自適應光學系統有了更廣泛的應用。目前新一代自適應光學系統正在研發當中，這些技術包括同時使用多個激光導星以及高級自適應光學設備等等。
通過上面的介紹，就不難明白為什麼這次實驗發生在2018年而不是2002年。S0-2繞行軌道週期是16年，2002年該星進入過與如今相同的極端狀態，可惜當時的甚大望遠鏡VLT和自適應光學系統都沒有準備好，天文學家們只能望星興嘆。但是這16年間，天文學家和眾多技術專家們作出了巨大的努力，終於在今年完成了這個極有意義的科學實驗。
世界上對S0-2恆星追蹤觀測二十多年的有兩支天文學家團隊。於今年7月26首先宣佈這次科學實驗結果的是德國Reinhard Genzel領導的一個團隊，那麼另一個團隊是誰？他們又做了些什麼？其實正是這兩個問題引起了我的興趣並動筆寫作此文。
這第二個團隊是銀河中心研究組GCG(Galactic Center Group)，其成員來自加州大學洛杉磯分校UCLA，加州理工學院，夏威夷大學W. M. Keck天文台。這個團隊的創始人和首席科學家是UCLA的安德里亞.蓋茨(Andrea Ghez)教授，她和她團隊中許多成員都是我校物理和天文學系的老師和學生，我和他們同系共事有相當長一段時期。蓋茨教授是美國國家科學院的院士、美國科學藝術研究院院士，世界著名的女天文學家，她的學術成就和奮鬥經歷足可寫成幾本好書。
銀河系中心研究組的研究重點是以儘可能高的角分辨率研究銀河系的最內部區域及其中心的超大質量黑洞，目的是瞭解超大質量黑洞與星系的形成和演化之間的相互作用。為此，他們對S0-2恆星進行了長達二十多年的跟蹤觀測。
為了分辨恆星光譜引力紅移的牛頓力學模型和相對論模型之間的細微差異，必須讓S0-2恆星位於黑洞最近處的極端條件下進行觀測。除了時空彎曲，引起光譜紅移還有許多其它因素，因此僅在最接近的位置上確定紅移是遠遠不夠的。天文學家必須在S0-2繞行黑洞軌道的多個位置上作紅移觀測，真正有意義的引力紅移數據決定於S0-2在幾個位置上光譜紅移的差值和S0-2的精確運動軌道參數。
通過理論分析和計算機數值模擬，可以確定S0-2恆星軌道上有三個“轉折點”是測量相對論引力紅移的的最敏感時間點。2018年，S0-2將經歷的三個轉折點分別是：速度最大點，距離最近點和速度最小點，即圖片7上的紅、綠、藍三點。到目前為止，對其中兩個轉折點的測量已經完成，對最後一個轉折點的測量目前正在緊張進行之中。
在繞行超大黑洞的軌道上，對S0-2恆星引力紅移觀測有三個關鍵點：紅色為速度極大點，綠色為最接近黑洞點，藍色為速度極小點。
德國的團隊完成了對S0-2的二個關鍵點的探測後就公佈了實驗結果。對此，蓋茨教授向他們的競爭對手錶達了祝賀，她説：“他們的數據看起來很漂亮。”但她也表示她的團隊會堅持做完三個關鍵點的測試，計劃等到今年晚些時候公佈他們的結果。
我會設法聯繫蓋茨教授的團隊，希望能獲知本次科學實驗更多的細節和幕後花絮，如有可能將另成一文與觀察者網的讀者們分享。
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