徐令予：在超级黑洞的边缘，广义相对论再次经受检验
guancha
【文/ 观察者网专栏作者 徐令予】
2018年夏天，赤日炎炎如火烧。但是全世界天文学家眼中的热点却不在地面，他们把目光投向了我们银河系的中心。
我们的银河系中心有一个超大质量的黑洞，一颗称之谓S0-2的恒星与这个黑洞近距离擦肩而过，世界上有两组天文学家团队对这颗玩命的S0-2恒星追踪观测已有20多年了。今年5月，S0-2到达离黑洞最近的位置上，超级黑洞周围的时空弯曲导致S0-2辐射光线产生引力红移。对S0-2引力红移的精确测量，再一次验证了在特殊条件下广义相对论的正确性。爱因斯坦，又是你对！
银河系中心的Sgr A*黑洞和在其周围绕行的S0-2恒星。
引力红移并不是新的物理现象，作为广义相对论早期的三大“天文验证”就包括了白矮星光谱的引力红移（另二项为水星近日点进动和光线在太阳附近经过时的弯曲）。正是这三大实验结果为爱因斯坦的广义相对论作出了坚实的背书。
大质量天体引起周围的时空弯曲是导致引力红移的本质原因，在弯曲时空中周期运动变慢正是时间变慢的反映。直接从广义相对论原理出发解释引力红移比较抽象，我们也可以换个角度来理解引力红移的现象。由于星体周围具有很强的引力场，当光从引力场陷阱中逃逸出来时，就会失去部分能量。根据光子能量的公式E=hν，光的能量与其频率成正比，如果光的能量减少，它的频率也会随之降低，所以波长变长。
引力红移示意图。
引力红移的观测方法是用摄谱仪拍下天体的光谱，求出红移量，扣除多普勒效应的运动红移及其他因素引起的红移，便得到引力红移。引力红移不仅可为确认天体质量提供依据，也可为研究天体的时空结构提供更多信息。
对于诸如太阳这样的普通恒星，由于其引力场相对较弱，所以从这些恒星表面发出的光不会出现显著的引力红移现象，它们在地球上很难直接探测到。天文学家最早在白矮星发出的光谱中探测到引力红移的现象，这是由于白矮星是恒星演化末期坍缩的产物，其密度极高，表面有较强的引力场。
为了深入研究引力红移，天文学家一直在寻找更大质量更高密度的天体。大质量的黑洞是研究引力红移的好目标，但黑洞本身没有光线辐射，所以退而求其次，寻找路过大质量黑洞近处的恒星就成了天文学家的梦想和追求。这就是为什么天文学家对S0-2恒星无悔追踪几十年的原因。
S0-2恒星以极端椭圆形的轨道绕着银河系中心的黑洞运动，这个称为Sgr A* （读音为：Sagittarius A star）的黑洞的质量是我们太阳的400万倍！S0-2恒星轨道绕行周期为16年，今年5月飞过黑洞的最近点，距离黑洞200亿公里（即17个光时），没有任何其他已知的恒星比它更接近了。
当然质量为太阳400万倍的Sgr A*黑洞绝对不是宇宙空间的重量级冠军，但是它位于我们自已银河系的中心，离我们仅26,000光年，而其它一些超大质量黑洞都离开我们地球几亿甚至几十亿光年之外，它们实在太遥远了，对它们的精确观察测量有许多技术困难。这就是为什么S0-2在今年夏天成了世界天文学家追星的目标。
7月26日，由德国马克斯普朗克的外星物理研究所的Reinhard Genzel领导的一个小组在新闻发布会上宣布了这次科学实验的结果，有关论文刊登在《天文学和天体物理学》学术期刊上。
在超级黑洞的近距离范围中，Genzel的团队探测到S0-2恒星的引力红移与广义相对论的预测完全一致。巴黎天文台的天体物理学家奥德尔斯特劳布说：“我们测量的东西不能再由牛顿力学来描述。”实验取得了巨大成功。
本次科学实验的意义从某种角度来看，于其说是对基础理论的检验，还不如说是对高新技术的考验。广义相对论诞生百年来已经接受过许多次实验验证，爱因斯坦的相对论是对的应该不算新闻，相对论是错的才是大新闻。当然本次的实验的物理条件更苛刻极端，观察也更直接，正因如此，实验的手段和技术装备才是更大的看点。其中的甚大望远镜VLT(Very Large Telescope)和自适应光学系统对本次实验的成功作出了特殊贡献。
甚大望远镜(VLT)是欧洲南方天文台建造的位于智利帕瑞纳天文台的大型光学望远镜，它由4台口径都是8.2米的望远镜组成。VLT的4台望远镜既可以分开单独使用，也可以组成光学干涉仪进行高分辨率观测。作为干涉仪工作时，VLT具有相当于口径16米的望远镜的聚光能力和口径130米的望远镜的角分辨率。
甚大望远镜(VLT)由4台口径都是8.2米的大型望远镜组成。建于智利的色洛·帕瑞那，海拔2632米。
由两台光学望远镜组成光学干涉仪的工作原理图。
联合多个望远镜组成光学干涉仪可以大大提高光学望远镜的角分辨率，其工作原理与合成孔径的射电望远镜阵列是相同的。但是光波的波长远远小于微波波长，光学干涉仪的技术难度远大于合成孔径射电望远镜，其相关技术也只是近年来才逐步完善成熟。VLT的角分辨率高达0.0005角秒，比哈勃太空望远镜还要高出50倍，意味着它可以分辨距其64万公里外一辆小轿车的两个前车灯。
VLT能够分辨64万公里外汽车的两个前灯，它无疑是当今世界上分辨率最高的天文望远镜，但是某位院士宣称：“我的仪器可以清晰地看到木星轨道上的汽车车牌”。他的那个仪器的分辨率比VLT至少还要高出上万倍！至于为什么他的这个仪器没有任何国际天文学家感兴趣，其中的道理我就弄不明白了。
VLT的强聚光能力和高分辨率为本次实验对S0-2星精确定位提供了可能性，但仅靠VLT是远远不够的。因为本次实验的重点是在红外光范围对目标物S0-2的位置坐标、速度和光谱结构的精细测量，目标物的红外光到达地面的VLT望远镜系统时会受到地球大气层的严重干扰。大气扰动使夜空中的星星像是在眨眼睛，这番景象让人们感觉到诗意盈然，但是对天文学家来说则是无尽烦恼。虽然太空望远镜可以避免地面大气层的尴尬，但是太空望远镜的镜头尺寸受到限制，並且其制造、维护和使用的费用甚高。近年来逐渐发展成熟起来的自适应光学系统就是帮助地面大型光学望远镜克服大气层干涉的利器。
如图5所示，自适应光学系统由波前探测器、波前控制器、波前校正器组成。波前探测器，主要是探测目标物近旁的对照星体的波前畸变，波前控制器对于自适应光学系统来说就如同计算机的CPU，通过波前探测器得到的波前数据，经过计算求得波前相位，然后通过控制系统反馈给波前校正器调节变形镜的各子模块来补偿畸变波阵面，提高图像精度。所以，自适应光学系统通常也简单地称之为变形镜。自适应光学系统获取的图像几乎可与在太空中拍摄的一样清晰，它可以用来观测亮度很低的天体，并且从中能够获得更多的细节。
自适应光学系统的基本原理
自适应光学系统的效果示意图。右边和左边分别是有和无自适应光学系统的银河系中心成像效果对比。
自适应光学系统工作时，必须有一个和观测对象亮度相近的对照星体，用它来估算出地面大气造成的干涉效应，从而对望远镜镜面形状进行相应调整以抵消大气的干涉。因为夜空中的目标物旁边找到合适的对照天体并非易事，于是只能通过向高空大气层发射激光束产生激光导星作为对照星体，这就使自适应光学系统有了更广泛的应用。目前新一代自适应光学系统正在研发当中，这些技术包括同时使用多个激光导星以及高级自适应光学设备等等。
通过上面的介绍，就不难明白为什么这次实验发生在2018年而不是2002年。S0-2绕行轨道周期是16年，2002年该星进入过与如今相同的极端状态，可惜当时的甚大望远镜VLT和自适应光学系统都没有准备好，天文学家们只能望星兴叹。但是这16年间，天文学家和众多技术专家们作出了巨大的努力，终于在今年完成了这个极有意义的科学实验。
世界上对S0-2恒星追踪观测二十多年的有两支天文学家团队。于今年7月26首先宣布这次科学实验结果的是德国Reinhard Genzel领导的一个团队，那么另一个团队是谁？他们又做了些什么？其实正是这两个问题引起了我的兴趣并动笔写作此文。
这第二个团队是银河中心研究组GCG(Galactic Center Group)，其成员来自加州大学洛杉矶分校UCLA，加州理工学院，夏威夷大学W. M. Keck天文台。这个团队的创始人和首席科学家是UCLA的安德里亚.盖茨(Andrea Ghez)教授，她和她团队中许多成员都是我校物理和天文学系的老师和学生，我和他们同系共事有相当长一段时期。盖茨教授是美国国家科学院的院士、美国科学艺术研究院院士，世界著名的女天文学家，她的学术成就和奋斗经历足可写成几本好书。
银河系中心研究组的研究重点是以尽可能高的角分辨率研究银河系的最内部区域及其中心的超大质量黑洞，目的是了解超大质量黑洞与星系的形成和演化之间的相互作用。为此，他们对S0-2恒星进行了长达二十多年的跟踪观测。
为了分辨恒星光谱引力红移的牛顿力学模型和相对论模型之间的细微差异，必须让S0-2恒星位于黑洞最近处的极端条件下进行观测。除了时空弯曲，引起光谱红移还有许多其它因素，因此仅在最接近的位置上确定红移是远远不够的。天文学家必须在S0-2绕行黑洞轨道的多个位置上作红移观测，真正有意义的引力红移数据决定于S0-2在几个位置上光谱红移的差值和S0-2的精确运动轨道参数。
通过理论分析和计算机数值模拟，可以确定S0-2恒星轨道上有三个“转折点”是测量相对论引力红移的的最敏感时间点。2018年，S0-2将经历的三个转折点分别是：速度最大点，距离最近点和速度最小点，即图片7上的红、绿、蓝三点。到目前为止，对其中两个转折点的测量已经完成，对最后一个转折点的测量目前正在紧张进行之中。
在绕行超大黑洞的轨道上，对S0-2恒星引力红移观测有三个关键点：红色为速度极大点，绿色为最接近黑洞点，蓝色为速度极小点。
德国的团队完成了对S0-2的二个关键点的探测后就公布了实验结果。对此，盖茨教授向他们的竞争对手表达了祝贺，她说：“他们的数据看起来很漂亮。”但她也表示她的团队会坚持做完三个关键点的测试，计划等到今年晚些时候公布他们的结果。
我会设法联系盖茨教授的团队，希望能获知本次科学实验更多的细节和幕后花絮，如有可能将另成一文与观察者网的读者们分享。
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