这次,爱因斯坦又对了

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  作者|唐凤

  现在,研究人员在银最全面的广义相对论测试是在河流中心的巨大黑洞附近进行的。

加州大学洛杉矶分校(UCLA)物理与天文学教授Andrea Ghez于7月25日发表了一份报告《科学》,支持爱因斯坦的广义相对论。

“我们的结论是,爱因斯坦是正确的,至少现在是这样。”本文作者和加州大学洛杉矶分校物理与天文学系的作者TuanDo在接受采访时说《中国科学报》,“我们正在测试一个广义的相对论内容是在黑洞的强烈吸引下光的行为。”

提到广义相对论认为,当光从恒星传播到我们时,它会失去能量。

能量的损失意味着光变得更红,这就是它被称为引力红移的原因。 “我们测量的红移与广义相对论的预测一致,但它与牛顿关于引力的预测非常不同。”

Ghez还说,“我们可以完全排除牛顿的引力定律,但爱因斯坦的理论无疑显示出漏洞。它无法完全解释黑洞内部的引力。在某种程度上,我们需要超越爱因斯坦的理论。创建一个更全面的理论重力并解释黑洞是什么。“

广义相对论是“最佳描述”

根据爱因斯坦在1915年提出的广义相对论,我们感知的引力来自时间和空间的曲率,像太阳和地球这样的物体改变了几何。

由几何语言建立的广义相对论不仅预测了引力波的存在。还可以推断,一些巨大的恒星最终将成为一个黑洞 - 一些时空区域是如此扭曲,以至于光线无法逃脱。

盖兹提到,在爱因斯坦出版广义相对论100多年后,这一理论开始受到质疑。

“实际上,人们并不是对广义相对论持怀疑态度,但理论是不完整的。”请说,“我们知道广义相对论很难描述非常小的但非常重力的物体,如黑洞。这就是我们想要测试广义相对论中黑洞预测的原因。“

通过在这些极端环境中进行测试,研究人员希望看一些测量是否偏离广义相对论。 “这将为我们提供新的物理线索,”Do说。

无论如何,Ghez认为现在似乎爱因斯坦的理论是引力如何运作的最佳描述。

黑洞具有超级引力,也被认为是测试一般引力强引力场理论的“完美实验室”。

因此,Ghez团队直接测量了超大质量黑洞附近的现象,Ghez称之为“极端天体物理学”。

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Ghez的团队观察到S0-2中的一颗恒星穿过银河系中心超大质量黑洞周围三维空间的完整轨道。

S0-2需要16年才能占据整个轨道,而黑洞的质量大约是太阳的4百万倍。

选择S0-2有几个原因。提到它是黑洞附近最明亮的恒星之一,周期很短,只有16年。

“这意味着我们可以获得关于这颗恒星的大量数据,”他说。

到目前为止,它是唯一具有多轨道光谱测量的恒星,S0-2的第一个光谱数据来自2000年。

当这颗恒星靠近巨大的黑洞时,研究人员收集了关键数据。

这个光谱被Ghez描述为来自恒星的“光彩虹”,显示了光的强度和恒星的成分,并提供了有关恒星光传播的重要信息。

Ghez团队还将这些数据与过去24年的测量数据结合起来。

此外,由JamesLarkin学校领导的团队使用夏威夷凯克天文台在加州大学洛杉矶分校建造的光谱仪上收集的光谱,以前所未有的精度展示S0-2的运动。

凯克天文台研究人员拍摄的恒星图像提供了另外两个维度。

“S0-2的特点是它的完整轨道是三维的,”Ghez说。 “这给了我们广义相对论测试的'入场券'。我们理解超大质量黑洞附近的引力行为,以及爱因斯坦的理论是否告诉了我们所有的“故事”。在完整的轨道上看到恒星提供了第一次测试基础物理的机会。“

最详细的研究

该实验依赖于非常精确地测量超大质量黑洞周围S0-2轨道的能力,以测量广义相对论对恒星的影响。

“我们需要24年的所有数据来理解这个轨道的牛顿性质,以确保我们看到的红移偏差确实是由广义相对论引起的,”Do说。

研究人员研究了从S0-2到地球的光子。在黑洞附近,S0-2以超过每小时1600万英里的惊人速度在黑洞周围移动。

爱因斯坦曾经认为光子必须在黑洞附近的这个区域做额外的工作。它们离开恒星的波长不仅取决于恒星移动的速度,还取决于光子消耗的能量以逃离黑洞的强引力场。

最后,研究人员检查了相对论红移和重力红移的组合,并使用红移参数y进行了量化。得到的结果是y=0.88±0.17,这与广义相对论(y=1)一致。排除牛顿模型(y=0),统计标准差为5.

Ghez团队还研究了超大质量黑洞附近的时空混合。

“在牛顿的万有引力理论中,空间和时间是分开的。不能混合在一起,根据爱因斯坦的理论,它们在黑洞附近完全混合在一起。她说。

这项工作也被认为是迄今为止对超大质量黑洞和爱因斯坦广义相对论最详细的研究。

美国国家科学基金会天文科学系主任理查德格林说:“要测量这样一个重要的天文现象,需要多年的患者观察,而最先进的科学和技术使其成为可能。”

根据凯克天文台主任希尔顿刘易斯的说法,Ghez是天文台最热情和最顽强的用户之一。 “最新的突破性研究是过去20年来银河系超大质量黑洞神秘的结晶。”

事实上,Ghez去年夏天有机会发布一些数据,但为了让团队首先分析数据,她选择不发布。

“我们正在学习重力是如何工作的。它是四种基本力量之一,也是测试最少的力量之一。我们还没有问过许多问题,例如引力如何在这里起作用?” Ghez说,“我们很容易过于自信,有很多方法可以误读数据,许多小错误都会累积成大错误,这就是我们不急于分析的原因。”

接下来,研究人员计划测试广义相对论预测的时空特征。

“我们的目标是测量S0-2的进动,或轨道的旋转。牛顿的引力预测恒星在完成轨道后将返回到同一位置,但在广义相对论中,恒星的轨道会进行,所以它会回到稍微不同的位置。通过观察未来几年S0-2的位置,我们应该能够发现这种差异,“请说。

未来,研究人员希望使用其他恒星。 Ghez最感兴趣的是S0-102,它的轨道最短,在黑洞周围运行需要11年半的时间。

相比之下,Ghez研究的大多数其他恒星的轨道运行时间比人类长得多。

相关论文信息:

《中国科学报》(第3版国际原创《这次,爱因斯坦又对了:大黑洞和相对论最详细研究出炉》)