当一束星光逃离一片具有强大引力场的区域时，光的波长会被拉长，使这束光变得更红。这个过程正是广义相对论所预言的“引力红移”。在一项最新的研究中，天文学家第一次在超大质量的黑洞周围观测到了这一现象，与爱因斯坦的理论所预言的一致。
○ 光子（图中波浪线）在克服引力场的作用下会失去能量，产生引力红移。
为了弄清楚究竟发生了什么，我们首先需要进入距离地球2.6万光年远的银河系的中心。在那里，有一个超大质量黑洞，被称为Sgr A*（人马座A*），其质量大约是太阳的400万倍。该黑洞产生的引力场是银河系中最强的，这使它成为了寻找相对论效应的理想之地。
但是，对银河系中央的进行观测是件非常困难的事情，因为它隐藏在致密的尘埃和气体云后，使我们无法通过可见光看到它。但是，随着红外探测器的发明，我们便拥有了穿透这层厚重的云的能力。在云的背后，是成千上万颗的恒星，围绕着SgrA*运行。
这些靠近Sgr A*的恒星会感受到极强的引力，它们就像行星绕着太阳一般绕着黑洞转，且轨道呈椭圆形。与太阳系中行星几乎都在一个平面运行的情况不同，这些恒星绕行黑洞的轨道是随机定向的，而且轨道周期更长，在几十到几百年之间。
○ 从模拟中可以看到，有一群的恒星围绕着银河系中心的超大质量黑洞运转。| 图片来源：L. CALÇADA/SPACEENGINE.ORG/ESO
在众多围绕着Sgr A*的恒星中，有一颗特别的恒星，它被称为S2。S2离黑洞特别近，其轨道速度可达到光速的3%（≈7650公里/秒），并且它足够明亮，使得天文学家能够对它进行详细的测量。恒星S2围绕Sgr A*转一圈只需要16年，这意味着在一名天文学家的一生中，至少可以研究一次它的完整轨道。
天文学家从1992年开始就对S2的轨道进行观测。在2002年时，它距离黑洞最近，可惜当时的望远镜还不够精确，无法做出必要的测量。直到2018年5月，S2再次靠近距离黑洞只有200亿公里（相当于17光时）的最近地点。而这次，天文学家已经准备好了。
○ 使用VLT的三个仪器NACO、、SINFONI（可以精确地测量恒星的径向速度）和GRAVITY（可以给出非常清晰的图像和精确的位置）对围绕着SgrA*的S2进行监测。| 图片来源：[1]
两个研究小组分别使用凯克天文望远镜（Keck telescopes）和甚大望远镜（VLT）对S2进行了追踪。为了更精确的在众多恒星中定位单个恒星，研究人员使用了一种叫自适应光学的技术，它能帮助抵消由地球大气所造成的扭曲。由Reinhard Genzel领导的欧洲团队使用VLT的四台望远镜作为干涉仪，将收集到的光组合在一起，其分辨率相当于一台直径为130米的超级望远镜。
○ 恒星S2绕行SgrA*的轨道。| 图片来源：[1]
研究人员在5月19日（S2最靠近黑洞的时候）前后定期对S2进行了监测。通过图像，他们可以跟踪恒星在天空中的视路径；利用光谱仪，他们可以通过恒星的多普勒频移测量它朝向或远离地球的“径向速度”。天文学家希望看到爱因斯坦预言的两种效应：首先，研究人员希望探测到光子从黑洞强大的引力场逃逸时导致的能量减少，这是引力红移效应。其次，他们也希望看到爱因斯坦的狭义相对论预言的相对论性横向多普勒效应，这是当一个物体的运动方向与视线相切发生的红移。
Genzel团队看到了相对论效应的联合作用，黑洞的引力将S2的径向速度红移了200公里/秒——整体速度的一小部分。其结果和相对论的预测吻合，与牛顿引力预测的不一致。
○ 当恒星S2经过银河系中心的黑洞时，强大的引力场导致它的光的波长朝光谱的红端移动。今年四月，从地球的视线看，S2达到了最大速度；五月，它距离银河系的中心最近；八月下旬和九月初，从地球的视线看，它的速度将降到最低。| 图片来源：ESO/M. Kornmesser
过去，无论是地球上的实验，还是在天体物理现象中，广义相对论都经受住了严格的考验。其中最严格的包括双中星和双黑洞合并辐射出的引力波。但这些情况下涉及到的天体质量最多只有几十个太阳质量。在Sgr A*这样的极端引力场下对广义相对论进行检验还是第一次，物理学家渴望知道在这种条件下相对论是否还站得住脚。
这两个团队都预测了爱因斯坦的理论会得到进一步的证实。此次的结果只是检验广义相对论的一个开端。在接下来的一两年里，他们期望看到S2的轨迹与16年前会稍有不同。这是因为相对论预测了一种被称为“史瓦西进动（Schwarzschild precession）”的现象，在每一周的循环路径中，恒星轨道的轴线都会出现微小的位移。这与水星围绕着太阳所出现的情况类似（如下图）。研究人员已经开始看到这个现象，但还需要收集一两年的数据以得到进一步肯定。
○ 史瓦西进动与水星进动类似。| 图片来源：E. OTWELL
下一步，研究人员将试图寻找比S2更靠近Sgr A*的恒星。追踪它们的轨道允许研究人员测量黑洞的自转速度。越来越灵敏的仪器可以探测到以一半光速落入黑洞的物质，以及从黑洞两极射出的喷流。天文学家正一步步地揭开这颗离我们最近的超大质量黑洞的神秘面纱。
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