新近來自歐洲南方天文台、《自然》《天文與天體物理》聯合發布的消息,天文學家在銀河系中心最大黑洞附近,終於發現一直在探測的引力紅移現象。
愛因斯坦廣義相對論預言又對了!
到底怎麼一回事?先說說什麼是引力紅移?
引力紅移(Gravitational Redshift),簡單來說,強引力場造成的光波紅移現象。
這種現象,最早還是由愛因斯坦作出的預言,甚至早到在發表廣義相對論之前,他就已經得出引力必將影響光波頻率、波長的結論。
這位現代物理學祖師爺的理由是:在引力場作用下,光波上行,遠距離傳播時,一定會損失一部分能量,從而導致波長變長,頻率下降。
早在19世紀中葉,天文學家就發現一種光波位移現象——
當天體接近地球時,對於我們觀測者來說,光波的前方被壓縮為更高的頻率,光波變短,光譜向藍位移,這就是藍移現象。
當天體遠離地球時,對於我們觀測者來說,光波的後方被拉長為更低的頻率,光波變長,光譜向紅位移,這就是紅移現象。
這種藍移、紅移就被稱為光的位移現象,也叫光的多普勒效應,這是借用了聲學多普勒效應的叫法。
藍移、紅移——太複雜太燒腦?
告訴你一個最簡單粗暴的理解方法:當你的女票穿著藍裙子,就意味著要撲你滿懷,當人家穿上紅裙子的時候,就意味著要離你遠去!
趕緊戒紅吧!
19世紀60年代,天文學家就是利用這種方法第一次精確測量了恆星的相對運動速度。
20世紀20年代,大名鼎鼎的埃德溫·哈勃更是利用這種方法,發現了所有星系看起來都在遠離我們,而且距離越遠速度越快,從而揭示了天大秘密——這就是哈勃定律,宇宙正在加速膨脹!而且順手提供了宇宙大爆炸的有力證據。
我們知道了光的紅移現象,那什麼又是引力紅移?
前面說了,強引力場造成的光波紅移,光波被拉長,頻率變低了,這就是引力紅移。
那麼,什麼樣的引力場才算強引力場?
地球引力場算不上,甚至連太陽引力場都不算什麼,紅巨星、藍巨星、白矮星、中子星、黑洞……
對,質量越大的天體引力場越強,這是愛因斯坦告訴我們的顛撲不破的真理。
這就是說,在黑洞旁邊更容易發現強引力場造成的引力紅移現象。
毫無疑問,最理想的觀測對象就是距離我們最近的超大質量黑洞——人馬座A*。
這個最早在1974年被發現的銀河系中心黑洞,質量超級大,足足有太陽質量的400~430萬倍!距離我們26000光年。
這是利用歐洲南方天文台觀測數據,顯示的圍繞人馬座A*黑洞運行20年的恆星狀態。
於是,德國馬克斯·普朗克地外物理研究所的一個研究團隊,早在1990年代開始在人馬座A*身邊尋找線索,並且鎖定一顆恆星(S2)作為觀測對象。
為什麼會鎖定S2?
因為它是一個理想的觀測對象。
S2比較容易觀測到,軌道周期也不算太長——16年,也就是每16個地球年就會繞行人馬座A*黑洞跑一圈。要知道,周期更短、距離黑洞更近的恆星並不容易找,更不容易觀測。
順便說一下,正是德國馬克斯·普朗克地外物理研究所通過研究S2恆星,由此測定了人馬座A*迄今為止最精確的質量、體積等數值。
功夫不負有心人,擅長啃硬骨頭的德意志人,在持續觀測了近30年後,終於今年等來了重要發現。
4月,從地球觀測看來,S2達到最高速度每秒7600公里,相當於3%光速。
5月,相距黑洞最近。
5月19日,恆星S2距離人馬座A*黑洞前所未有得近!相距120個天文單位(180億公里),相當於太陽系裡太陽風抵達的邊界。但以光年尺度衡量,卻是相當得靠近了。
這期間,通過4台8米口徑組成的望遠鏡陣列,天文學家發現了夢寐以求的觀測現象——
從S2發來的星光,在人馬座A*黑洞的強大引力作用下,產生了引力紅移現象——光波被拉長了,光波頻率變低了。
這是人類首次在黑洞身邊觀測到引力紅移。
而早在1959年,同樣是德國馬克斯·普朗克研究所,科學家們在實驗室里測量出細微的引力紅移現象。
觀測到引力紅移,意味著什麼?
這不僅意味著愛因斯坦廣義相對論又對了!而且,未來對S2的觀測,可能會證實愛因斯坦的其他預言,比如一個旋轉黑洞是如何扭曲周圍時空的。
就是這樣,人類對宇宙時空的探知,一步步愈加清晰、精確。