科學家這次又鎖定了哪個目標來考驗愛因斯坦的廣義相對論呢?答案是我們銀河系的超大質量黑洞。透過觀察 S2 恆星在黑洞周圍的種種行為長達 24 年,加州大學洛杉磯分校團隊再次驗證了等效原理,儘管至今不少人提出對廣義相對論的質疑,事實告訴我們這項理論依然堅如磐石。

若問地球方圓 100 萬光年內最極端的天體是誰,當屬銀河系中心的超大質量黑洞人馬座 A*,質量達太陽 400 萬倍,是測試愛因斯坦廣義相對論的最佳對象之一。

由加州大學洛杉磯分校天文學家 Andrea Ghez 領導的團隊,自 1995 年起就開始利用凱克望遠鏡觀察名為「S2」的恆星與人馬座 A* 的互動,此恆星週期約 16 年,軌道離心率極高;時光荏苒,一轉眼來到 2018 年,S2 恆星出現在最靠近黑洞的位置(離黑洞事件視界約只有 180 億公里,或說海王星公轉軌道直徑的 2 倍長)。

 

S2 恆星軌道。

廣義相對論預測此時恆星光會受黑洞引力影響,觀測時出現「重力紅移」(Gravitational redshift)現象,當年,馬克斯普朗克外空物理學研究所(Max-Planck-Institut für Physik;MPP))天體物理學家 Reinhard Genzel 團隊證實了這項預測,並發現 S2 恆星的速度被黑洞引力提高達到光速 2.7%(約時速 2,500 萬公里)。

Andrea Ghez 團隊長達 24 年的研究最近發表,則以獨立數據再度佐證 S2 恆星的光被黑洞引力拉伸,重力紅移結果與愛因斯坦廣義相對論的預測一致,而與牛頓的預測結果有 5 個標準差,簡單說,在大範圍下完全可以排除牛頓的萬有引力定律。

S2 恆星在去年 3 月達到最大視距速度(line-of-sight velocity),同年 9 月視距速度又降至最低,Andrea Ghez 團隊將這段期間的光譜數據與 1995~2017 年的觀測結果相結合,以 3D 方式重建恆星軌道,再次驗證廣義相對論的等效原理。

此外,新研究也算出人馬座 A * 更精準的的質量與距離:3,946,000 倍太陽質量,不確定性 1.3%;和地球的距離為 7,946 秒差距(25,900 光年),不確定性僅 0.7%

面對宇宙最深不可測的天體,愛因斯坦又一次奪得勝利,廣義相對論至今還沒有讓我們走向歧途。新論文發表在《科學》期刊。

 

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