广义相对论被证实！天文学家首次发现光线被黑洞拉伸！

天文学家在银河系中央捕捉到将恒星释放的光线拉长的巨大黑洞。这是他们追踪该恒星近30年后发现的。根据爱因斯坦的广义相对论，光线在强引力场作用下会出现拉伸现象，波长变长，向红波方向偏移，这被称为引力红移效应。但时至今日，它从未在黑洞附近被探测到。

随着S2恒星通过银河系中央的黑洞，强大的引力场导致其光线向光谱的红色一端移动。图片来源：ESO/M. Kornmesser

“这是朝更深入地理解黑洞迈出的一大步。”未参与该研究的荷兰拉德堡德大学天文学家Heino Falcke表示，“能发现这些效应真的非常神奇。”

近日，一个由德国马普学会地外物理研究所科学家Reinhard Genzel领导的团队在一场新闻发布会上宣布了这项发现，并在《天文和天体物理学》杂志上报告了相关成果。该团队包括来自德国、法国、葡萄牙、瑞士、荷兰、美国和冰岛各高校及研究机构的科学家。

自上世纪90年代初，Genzel和同事便开始追踪这颗名为S2的恒星的“旅程”。科学家利用位于智利的欧洲南方天文台的望远镜，观察了其在黑洞附近以椭圆形轨道运行的情况。该黑洞位于射手座，距离地球2.6万光年，质量是太阳的400万倍，并在银河系产生了强大的引力场。这使其成为搜寻相对论效应的理想目标。

今年5月19日，S2以史上最近的距离经过该黑洞。研究人员利用包括GRAVITY在内的设备追踪了这颗恒星的路径。

GRAVITY是一台将来自4台8米望远镜的光线结合在一起的干涉仪，在2016年投入使用。“有了我们的测量结果，通向黑洞物理学的大门被进一步打开。”马普学会天文学家、团队成员Frank Eisenhauer表示。

GRAVITY测量了S2在天空的移动。最快时，这颗恒星以每秒超过7600公里（接近光速的3%）的速度呼啸而过。与此同时，另一台设备研究了S2在和黑洞擦肩而过时以多快的速度向地球移动以及离开地球。将观测结果整合在一起，Genzel团队得以探测到这颗恒星的引力红移——描述其光线如何因黑洞的巨大引力被拉伸至更长的波长。此类现象同广义相对论的预测相一致。

“我们测量的结果无法再用牛顿理论来描述了。”巴黎天文台天体物理学家Odele Straub表示。对S2的进一步观测或许能证实爱因斯坦的其他预测，比如旋转黑洞如何拖拽周围的时空并拉着它们一起移动。

“他们的数据看上去很漂亮。”加州大学洛杉矶分校天文学家Andrea Ghez表示。Ghez带领的团队正利用夏威夷的凯克天文望远镜测量该恒星围绕银河系中央运行的路径。

S2绕黑洞完整绕行一周需要16年，因此两个团队都在迫切等待着今年其近距离围绕黑洞运转的情形。不过，Ghez表示，其团队计划在今年年底发表研究成果。

今年4月，在地球上能看到的视线范围内，S2达到最高速度。5月，它运行至距银河系中央最近的地方。而在8月末和9月初，它将减缓至最低速度。“我们花了20年才等到这一刻。”Ghez说，“我们会等待，直到这次绕行结束，这颗恒星做完所有它要做的事情。”

随着第三次事件即将到来，从地球上看其穿行方向，S2已经开始减慢速度。上述美国和欧洲团队都在密切观察。“现在已经到了最紧张的时刻。”Ghez说，“这格外令人兴奋。”