- 當一顆恆星經過一個超大質量黑洞附近時，它會進入一個空間彎曲更嚴重的區域。能量的損失導致重力紅移，與我們所觀察到的任何多普勒(速度)紅移無關。
位於銀河系中心的超大質量黑洞是距離地球100萬光年範圍內最極端的天體物理物體。據估計，它有400萬個太陽質量，是銀河系中最大的黑洞，也是整個星系中僅次於仙女座菌株的第二大黑洞。如果嚴格地探索愛因斯坦的廣義相對論，那麼這個黑洞周圍的環境就是大自然提供的最佳試驗場。
自1995年以來，由加州大學洛杉磯分校安德里亞領導的天文學家團隊一直在研究星系中心附近恆星的軌道。隨著時間的推移，他們的觀察工具和技術得到了改進。2018年，離我們超大質量黑洞最近的軌道恆星S0-2以2.7%的光速靠近我們。在一個新結果中，愛因斯坦的理論得到了前所未有的證實。
- 這是一張銀河系和周圍天空中恆星密度的地圖，清晰地顯示了銀河系、大小麥哲倫星雲以及其他星系。但是測量銀河系的恆星本身是有挑戰性的，因為生活在銀河系中使我們無法看到所有的恆星及其內部運動。阻擋光線的塵埃模糊了我們對星系平面上恆星的看法，尤其是對星系中心的看法。總而言之，銀河系在其碟狀區域內包含了大約2000—4000億顆恆星，而太陽距離中心約25000光年。
星系中心本身是一個非常難以觀測的地方。地球上的觀測者為了直觀地測量星系的中心區域，他們必須直視銀河系的平面，而星際塵埃的存在使這項任務變得極為困難。即使用肉眼也可以看到，這些中間的物質就像散佈在銀河系中的暗帶。
然而，這些塵埃顆粒的大小是有限的，雖然可見光很容易被它們吸收，但波長較長的光可以不受阻礙地穿過這些塵埃。如果我們在紅外線下觀察，我們對銀河系中心的視野突然打開，甚至可以看到單個恆星在周圍移動。當檢查星系中心時，我們看到它們都圍繞著一個不發光的單點——我們星系的超大質量黑洞——做橢圓軌道運行。
儘管幾十年來我們已經有了大型的地面紅外望遠鏡，但由於銀河系中心附近恆星的密度太大，解決它們是一項不可能完成的任務。只有通過散斑干涉測量和自適應光學的雙重技術，恆星才開始顯露出來。
大氣層本身會產生各種效應，使任何到達望遠鏡的光線發生扭曲。在20世紀70年代和80年代的大部分時間裡，使這種散斑干涉測量技術成為現實所需要的計算機處理是禁止的，但在21世紀初已成為常規。
當光線從遙遠的地方射入，穿過大氣層到達地面望遠鏡時，我們通常會觀察到左圖。然而，通過像散斑干涉術或自適應光學這樣的處理技術，我們可以重建左邊已知的點源，極大地減少失真，併為天文學家提供一個模板來還原圖像的其餘部分。第二個進步，自適應光學，讓我們走得更遠。把波長縮小一半，分辨率就會提高一倍。這在太空中是小菜一碟，但由於大氣層的影響，失真意味著永遠無法達到理想的分辨率。
自適應光學改變了這一切。通過分裂或複製入射光，計算大氣的影響，以及消除扭曲光線所需的鏡面形狀。然後將鏡子調整到適當的形狀，使光線恢復到大氣前的效果，產生具有天基質量的地面圖像。
- 這兩個面板顯示了星系中心的觀測與不自適應光學，說明分辨率增益。這使得單個恆星能夠通過紅外線從地面上被分辨出來並隨著時間的推移被跟蹤。
這些技術已經存在了幾十年，但在整個21世紀，它們已經取得了顯著的進步。就在它們旁邊，新的儀器被建立起來，從收集到的光線中提取出更多更高質量的數據。
從1995年開始，加州大學洛杉磯分校的一個小組首次能夠成像、分辨並準確識別銀河系中心微弱的單個恆星的位置。起初，只有幾顆星星看得見，但隨著時間的推移，越來越多的星星變得看得見摸得著。隨著Ghez小組開始收集更好的數據，他們推斷出創建這些軌道所需的必要質量：一個大約400萬太陽質量的黑洞。更大的好處是，他們開始注意到有幾顆恆星非常接近超大質量黑洞。
- 基於2018年的數據，位於銀河系超大質量黑洞附近的S0-2(黃色)軌道剛剛被用來檢驗愛因斯坦的廣義相對論。如果觀測到的結果與愛因斯坦的預測有任何出入，這些結果將為建立一個新的、更基本、更精確的引力理論指明道路。
在它最接近的時候，S0-2距離人馬座A*的視界只有180億公里，而人馬座A*的直徑只有海王星繞太陽軌道直徑的兩倍。S0-2與人馬座A*的第一次近距離接觸發生在2002年，當時技術還在迅速改進。2018年5月。在最接近時，S0-2將以其最快的速度移動：大約2.7%的光速。但更重要的是黑洞周圍嚴重彎曲空間的影響，這導致了廣義相對論中一些令人著迷的效應。
- 當一個輻射量子離開引力場時，它的頻率必須紅移以保存能量；當它掉進去的時候，一定是藍色的。只有當引力本身不僅與質量有關，而且與能量有關時，這才有意義。引力紅移是愛因斯坦廣義相對論的核心預測之一，但從未在我們銀河系中心這樣的強磁場環境中直接得到驗證。
也許在這種極端環境下將得到檢驗的最大預測是引力紅移：即從引力勢阱深處發出的光子必須失去能量，才能逃離這個明顯彎曲的空間區域。廣義相對論根據物體所在區域的空間曲率做出了非常具體的預測，即一個物體發出的光應該系統地向更長的波長和更低的能量轉移的程度。
在這些非常大的速度和相對於我們的視線具有特定方向的情況下，科學家需要將由於恆星運動引起的特殊相對論效應與彎曲空間的一般相對論效應相結合，以便預測他們在關鍵時刻測量。
- 當一顆恆星接近它圍繞超大質量黑洞軌道的邊緣時，它的引力紅移和速度都會增加。此外，軌道進動的純相對論效應應該會影響這顆恆星繞星系中心的運動。在這個新的觀測體系中，任何一種效應都將證實或證偽廣義相對論。
但是引力紅移並不是唯一的相對論預測。此外，快速移動的恆星穿過這個嚴重彎曲的空間時，應該會受到輕微的推力。
就像水星的近日點由於廣義相對論而繞著太陽進動一樣，S0-2也應該繞著這個超大質量黑洞運動，只不過作用要大得多。例如，在牛頓引力中，像S0-2這樣的質量應該在它圍繞黑洞的軌道上形成一個完全閉合的橢圓，而在愛因斯坦的引力中，在接近黑洞後，橢圓的形狀應該發生可測量的變化。
- 2018年5月接近S0-2是我們檢驗相對論效應的最好機會。
去年，引力合作項目使用最新的先進干涉儀，搭載在專門用於近紅外觀測的超大型望遠鏡上，能夠測量引力紅移的影響，而這種影響僅與牛頓力學不一致。隨著後來的數據不斷改進，科學家們不僅希望在相對論體系中進一步否定牛頓的理論，而且希望將愛因斯坦置於一個全新的、前所未有的測試中。
- 凱克1號和凱克2號的雙激光器利用世界上一些最先進的自適應光學系統和技術，創造了一顆人造激光引導星，更好地幫助望遠鏡聚焦於一個特定的位置，並考慮到大氣的特性。
在過去25年的觀測活動中，他們將2018年3月至9月的一系列測量數據加入到1995年至2017年的現有數據中，包括2018年5月最接近的時刻。他們的研究結果發表在《科學》雜誌上，產生了三個全新的結果。
首先，測量了S0-2的引力紅移，發現其在1-sigma不確定性範圍內與愛因斯坦的預測一致，而牛頓的結果在大於5-sigma時被排除。就其本身而言，這是對愛因斯坦廣義相對論在一個全新體系中的黃金標準的確認。
但這也產生了關於人馬座A*的質量和距離的最精確的測定。新的概算如下:
質量= 394.6萬太陽質量，不確定度1.3%25,900光年，不確定度僅為0.7%。這是我們所知道的關於相對論、銀河系中心以及在嚴重彎曲空間中運行的恆星的最多的知識。
- 我們現在在極端條件下證實了愛因斯坦的廣義相對論，以及對人馬座A*質量和距離的最佳測量。
這個結果最有趣的部分是，它清楚地展示了引力紅移純粹的廣義相對論效應。在測量不確定度範圍內，S0-2的觀測結果與愛因斯坦的預測完全一致。當愛因斯坦第一次提出廣義相對論時，他在概念上是這樣做的，加速度和引力對觀察者來說是無法區分的。
隨著愛因斯坦對這顆恆星圍繞星系中心黑洞軌道的預測得到證實，科學家們已經確認了等效原理，從而排除了違反愛因斯坦引力基石的其他引力理論。這標誌著愛因斯坦又一次取得了勝利。
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