- 当一颗恒星经过一个超大质量黑洞附近时，它会进入一个空间弯曲更严重的区域。能量的损失导致重力红移，与我们所观察到的任何多普勒(速度)红移无关。
位于银河系中心的超大质量黑洞是距离地球100万光年范围内最极端的天体物理物体。据估计，它有400万个太阳质量，是银河系中最大的黑洞，也是整个星系中仅次于仙女座菌株的第二大黑洞。如果严格地探索爱因斯坦的广义相对论，那么这个黑洞周围的环境就是大自然提供的最佳试验场。
自1995年以来，由加州大学洛杉矶分校安德里亚领导的天文学家团队一直在研究星系中心附近恒星的轨道。随着时间的推移，他们的观察工具和技术得到了改进。2018年，离我们超大质量黑洞最近的轨道恒星S0-2以2.7%的光速靠近我们。在一个新结果中，爱因斯坦的理论得到了前所未有的证实。
- 这是一张银河系和周围天空中恒星密度的地图，清晰地显示了银河系、大小麦哲伦星云以及其他星系。但是测量银河系的恒星本身是有挑战性的，因为生活在银河系中使我们无法看到所有的恒星及其内部运动。阻挡光线的尘埃模糊了我们对星系平面上恒星的看法，尤其是对星系中心的看法。总而言之，银河系在其碟状区域内包含了大约2000—4000亿颗恒星，而太阳距离中心约25000光年。
星系中心本身是一个非常难以观测的地方。地球上的观测者为了直观地测量星系的中心区域，他们必须直视银河系的平面，而星际尘埃的存在使这项任务变得极为困难。即使用肉眼也可以看到，这些中间的物质就像散布在银河系中的暗带。
然而，这些尘埃颗粒的大小是有限的，虽然可见光很容易被它们吸收，但波长较长的光可以不受阻碍地穿过这些尘埃。如果我们在红外线下观察，我们对银河系中心的视野突然打开，甚至可以看到单个恒星在周围移动。当检查星系中心时，我们看到它们都围绕着一个不发光的单点——我们星系的超大质量黑洞——做椭圆轨道运行。
尽管几十年来我们已经有了大型的地面红外望远镜，但由于银河系中心附近恒星的密度太大，解决它们是一项不可能完成的任务。只有通过散斑干涉测量和自适应光学的双重技术，恒星才开始显露出来。
大气层本身会产生各种效应，使任何到达望远镜的光线发生扭曲。在20世纪70年代和80年代的大部分时间里，使这种散斑干涉测量技术成为现实所需要的计算机处理是禁止的，但在21世纪初已成为常规。
当光线从遥远的地方射入，穿过大气层到达地面望远镜时，我们通常会观察到左图。然而，通过像散斑干涉术或自适应光学这样的处理技术，我们可以重建左边已知的点源，极大地减少失真，并为天文学家提供一个模板来还原图像的其余部分。第二个进步，自适应光学，让我们走得更远。把波长缩小一半，分辨率就会提高一倍。这在太空中是小菜一碟，但由于大气层的影响，失真意味着永远无法达到理想的分辨率。
自适应光学改变了这一切。通过分裂或复制入射光，计算大气的影响，以及消除扭曲光线所需的镜面形状。然后将镜子调整到适当的形状，使光线恢复到大气前的效果，产生具有天基质量的地面图像。
- 这两个面板显示了星系中心的观测与不自适应光学，说明分辨率增益。这使得单个恒星能够通过红外线从地面上被分辨出来并随着时间的推移被跟踪。
这些技术已经存在了几十年，但在整个21世纪，它们已经取得了显著的进步。就在它们旁边，新的仪器被建立起来，从收集到的光线中提取出更多更高质量的数据。
从1995年开始，加州大学洛杉矶分校的一个小组首次能够成像、分辨并准确识别银河系中心微弱的单个恒星的位置。起初，只有几颗星星看得见，但随着时间的推移，越来越多的星星变得看得见摸得着。随着Ghez小组开始收集更好的数据，他们推断出创建这些轨道所需的必要质量：一个大约400万太阳质量的黑洞。更大的好处是，他们开始注意到有几颗恒星非常接近超大质量黑洞。
- 基于2018年的数据，位于银河系超大质量黑洞附近的S0-2(黄色)轨道刚刚被用来检验爱因斯坦的广义相对论。如果观测到的结果与爱因斯坦的预测有任何出入，这些结果将为建立一个新的、更基本、更精确的引力理论指明道路。
在它最接近的时候，S0-2距离人马座A*的视界只有180亿公里，而人马座A*的直径只有海王星绕太阳轨道直径的两倍。S0-2与人马座A*的第一次近距离接触发生在2002年，当时技术还在迅速改进。2018年5月。在最接近时，S0-2将以其最快的速度移动：大约2.7%的光速。但更重要的是黑洞周围严重弯曲空间的影响，这导致了广义相对论中一些令人着迷的效应。
- 当一个辐射量子离开引力场时，它的频率必须红移以保存能量；当它掉进去的时候，一定是蓝色的。只有当引力本身不仅与质量有关，而且与能量有关时，这才有意义。引力红移是爱因斯坦广义相对论的核心预测之一，但从未在我们银河系中心这样的强磁场环境中直接得到验证。
也许在这种极端环境下将得到检验的最大预测是引力红移：即从引力势阱深处发出的光子必须失去能量，才能逃离这个明显弯曲的空间区域。广义相对论根据物体所在区域的空间曲率做出了非常具体的预测，即一个物体发出的光应该系统地向更长的波长和更低的能量转移的程度。
在这些非常大的速度和相对于我们的视线具有特定方向的情况下，科学家需要将由于恒星运动引起的特殊相对论效应与弯曲空间的一般相对论效应相结合，以便预测他们在关键时刻测量。
- 当一颗恒星接近它围绕超大质量黑洞轨道的边缘时，它的引力红移和速度都会增加。此外，轨道进动的纯相对论效应应该会影响这颗恒星绕星系中心的运动。在这个新的观测体系中，任何一种效应都将证实或证伪广义相对论。
但是引力红移并不是唯一的相对论预测。此外，快速移动的恒星穿过这个严重弯曲的空间时，应该会受到轻微的推力。
就像水星的近日点由于广义相对论而绕着太阳进动一样，S0-2也应该绕着这个超大质量黑洞运动，只不过作用要大得多。例如，在牛顿引力中，像S0-2这样的质量应该在它围绕黑洞的轨道上形成一个完全闭合的椭圆，而在爱因斯坦的引力中，在接近黑洞后，椭圆的形状应该发生可测量的变化。
- 2018年5月接近S0-2是我们检验相对论效应的最好机会。
去年，引力合作项目使用最新的先进干涉仪，搭载在专门用于近红外观测的超大型望远镜上，能够测量引力红移的影响，而这种影响仅与牛顿力学不一致。随着后来的数据不断改进，科学家们不仅希望在相对论体系中进一步否定牛顿的理论，而且希望将爱因斯坦置于一个全新的、前所未有的测试中。
- 凯克1号和凯克2号的双激光器利用世界上一些最先进的自适应光学系统和技术，创造了一颗人造激光引导星，更好地帮助望远镜聚焦于一个特定的位置，并考虑到大气的特性。
在过去25年的观测活动中，他们将2018年3月至9月的一系列测量数据加入到1995年至2017年的现有数据中，包括2018年5月最接近的时刻。他们的研究结果发表在《科学》杂志上，产生了三个全新的结果。
首先，测量了S0-2的引力红移，发现其在1-sigma不确定性范围内与爱因斯坦的预测一致，而牛顿的结果在大于5-sigma时被排除。就其本身而言，这是对爱因斯坦广义相对论在一个全新体系中的黄金标准的确认。
但这也产生了关于人马座A*的质量和距离的最精确的测定。新的概算如下:
质量= 394.6万太阳质量，不确定度1.3%25,900光年，不确定度仅为0.7%。这是我们所知道的关于相对论、银河系中心以及在严重弯曲空间中运行的恒星的最多的知识。
- 我们现在在极端条件下证实了爱因斯坦的广义相对论，以及对人马座A*质量和距离的最佳测量。
这个结果最有趣的部分是，它清楚地展示了引力红移纯粹的广义相对论效应。在测量不确定度范围内，S0-2的观测结果与爱因斯坦的预测完全一致。当爱因斯坦第一次提出广义相对论时，他在概念上是这样做的，加速度和引力对观察者来说是无法区分的。
随着爱因斯坦对这颗恒星围绕星系中心黑洞轨道的预测得到证实，科学家们已经确认了等效原理，从而排除了违反爱因斯坦引力基石的其他引力理论。这标志着爱因斯坦又一次取得了胜利。
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