愛因斯坦又對了!恆星靠近黑洞首次證實重力紅移

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本篇來自 關鍵評論網 ,周雪君撰文。

在銀河系的中心,距離地球 2.6 萬光年的射手座,有一個質量相當於太陽 400 萬倍的巨型黑洞,一小群星體圍繞著這超級重力場高速運行,就在這裡,天文學家首次證實愛因斯坦廣義相對論中有關重力紅移(gravitational redshift)的理論。

這場驗證花了近 20 年時間,德國嘉興(Garching)馬克斯普朗克地外物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)的團隊持續追蹤其中一顆名為 S2 的恆星,終於在今年 5 月 19 日,目睹 S2 以最近的距離繞過黑洞,產生的重力紅移現象。

我們知道,重力不單令光線彎曲,也能拉伸光波波長。黑洞產生的重力場非常強大,當光波經過黑洞,逐漸遠離時,可以想像光的粒子,要由重力井(黑洞)邊緣爬出來,必須消耗能量,但光的粒子不會慢下來,它還是要以光速前進,於是就得以另一種方式消耗能量,而這種消耗就表現於光波被拉長,整體頻譜會往紅色端方向偏移,所以稱為重力紅移,gravitational redshift。愛因斯坦的廣義相對論早就提出了重力紅移,到今天,天文學家才首次觀測到。

S2 以橢圓軌道圍繞黑洞運行一周要 16 年,天文學家在這些年持續不斷追蹤它。對上一次 S2 最靠近黑洞是 2002 年,當時天文望遠鏡的技術仍未能觀測這個現象,到今天已經有兩隊天文學家以最新的儀器追蹤它。除了德國由天文物理學家 Reinhard Genzel 率領的團隊之外,美國天文學家 Andrea Ghez 的團隊亦在夏威夷以凱克望遠鏡(Keck telescopes)緊追 S2 的動向,尤其是今年 5 月 19 日及前後的一段時間。

兩個團隊均發現,當 S2 以最短距離繞過黑洞時,速度高達每秒鐘約 8,000 公里,即是相當於光速的約 2.7%,而其光波的確拉長了。

兩個團隊都表示,這次觀測有助了解黑洞之謎,並會繼續監測 S2 的軌跡,同時希望觀測 S2 附近同樣圍繞黑洞的其他星體,包括重力對它們的軌道的影響,並寄望日後有更強大的天文望遠鏡,可以觀測到物質掉進黑洞,甚至時間空間被黑洞扭曲。

Reinhard Genzel 團隊的研究報告已發表於 Astronomy & Astrophysics。

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