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“爱因斯坦1∶0牛顿”

2018-08-08 10:57:27 中国青年报

  位于智利的“甚大望远镜” 图片来源网络

  数颗恒星绕银河中心黑洞运行示意图

  世界上最聪明的两颗脑袋刚刚完成了一轮对决,爱因斯坦暂时胜出。

  这是漫长的、穿越时空的竞赛。为了最新的那个结果,莱因哈德·根舍已经等了26年。

  今年5月19日,这位天体物理学家观测到名为S0-2的恒星运行到距离银河系中心黑洞人马座A*最近的位置。在强大的引力场下,它被加速到每秒近8000公里的速度。

  1915年11月,阿尔伯特·爱因斯坦向普鲁士科学院提交了广义相对论的最终版本,那时,牛顿力学统治物理学界已经200多年。在宇宙中,星星到底会怎么转,牛顿早就指出了一条路,但爱因斯坦的理论画出了另一条路。

  过去,人类只能看到恒星在宇宙中飞驰。科学家能算出它的速度、质量、年龄,却始终无法看清它们的跑道。

  不久前,人类终于看清,它们选择了爱因斯坦的路。

  擦肩

  天上的很多星星、黑洞都是根舍的老熟人,但S0-2让他执着“追”了很多年。它名字不浪漫,身份也不足够特别,但它年轻、明亮、离黑洞够近,是验证广义相对论的绝佳目标。

  S0-2在距离地球约2.6万光年的银河系中心附近围绕人马座A*黑洞运动着。两个多月前,根舍的团队收到一条信号:S0-2到达了离黑洞最近的点。

  这本不是什么稀奇的事情。宇宙中恒星的数量难以计数,仅银河系内,就有超过1000亿颗。它们都围绕着银河系的中心转动,每天都有新的恒星诞生,也有已经持续燃烧百亿年的恒星走向生命的终点。

  在科学家眼里,这些星星除了自然属性,它们的诞生与消亡、运动与变化,还能证明不少在地球上只能用抽象符号呈现的理论。

  S0-2是研究团队详细观测45颗备选恒星后确定的。从1992年起,根舍就利用欧洲南方天文台位于智利的望远镜观测它。这颗恒星每16年绕黑洞运动一周,这意味着,观测它近距离掠过黑洞的机会,每16年才有一次。一旦错过,只能等待下一次机会来临。

  失败的滋味,根舍再清楚不过了。他已经66岁,是人类中的长者。而他的研究对象要么远在几万光年以外,要么已经诞生上亿年。人类发射的、走得最远的旅行者1号探测器飞行了41年,行驶的距离还远不到1光年。

  遥远的距离意味着极大的观测难度。即使是最好的天文望远镜,传递给研究者的所谓“星空图片”,也不过是灰色底片上一团团黑色的斑点和数万张填满数字、意义不明的表格。他们只能不断提高望远镜的分辨率,提升抗干扰的能力,只有看得更清楚,才更有可能获得新发现。

  失败是常有的事。破坏计划的家伙有时是一片厚一点的大气云层,有时是一颗突如其来的废弃人造卫星,它们闯入镜头,研究者数月乃至数年的准备就白费了。

  成功的“奖赏”也是丰厚的。欧洲南方天文台“甚大望远镜”(VLT)对准的黑洞人马座A*,质量大概相当于400万个太阳。人类还从未有机会观察和研究如此大质量的物体产生的引力场。

  根舍的研究从上世纪80年代就开始了,他所在的德国马普地外物理研究所是研究银河系中心最重要的两个机构之一。几十年时间里,他观测并研究过气体云坠向黑洞,发展了银河系诞生、“长大”的理论,甚至连银河系中心黑洞人马座A*的存在都是他发现和证明的。

  他们一直密切关注着包括S0-2在内的多颗恒星的运动。2002年时,S0-2曾到达他们期待的位置,但受限于当时的观测技术,望远镜分辨率不够,数据无法支撑广义相对论的模型,他们只能眼睁睁地看着S0-2远离观测点。

  尽管如此,这些数据还是帮助团队作出了不少成果。根舍本人也刚获选欧洲科学院院士,并被法国天文学会、德国物理学会授予奖章,但他仍然感到沮丧。他知道,错过一次,要花人生五分之一时间再等一次。

  S0-2受诸多天体物理学家的青睐。这是人类第一次观测一颗恒星在距离银河系中心黑洞如此近的地方飞驰。研究者为它建立了专门的网站,分析和计算它的年龄、组成、质量等信息,但有个问题至今无人能解答,在如此靠近黑洞的地方,一切都会被撕碎,它又是如何形成的。

  对视

  2018年7月19日,欧洲南方天文台突然发布公告:将在一周后召开新闻发布会,公布一则重要的观测结果。

  相当数量的天文爱好者都猜到了新闻发布会的内容,事关那颗每16年绕黑洞一周,名为S0-2的恒星。

  在过去半年时间里,根舍和他的团队每天都顶着巨大的压力工作。对根舍来说,如果再失败一次,他就可能无法在有生之年得到期待了数十年的成果。

  他们使用的“甚大望远镜”位于智利,同时承担着多项科研任务,根舍的团队每天都要调试望远镜,让它处在最佳工作状态。他不止一次向媒体表达,“我们每天都在赶死线”。

  这次他们没有失望。在4架8.2米口径的望远镜的注视下,恒星S0-2的运动数据被精准地捕捉到了。这颗有16个太阳重的恒星以7650公里每秒的速度从距离黑洞最近的点呼啸而过。经过一个多月的分析和处理,研究团队终于公布了喜讯,他们成功验证了爱因斯坦的广义相对论。

  研究人员设计了一个指数,如果它等于0,意味着牛顿力学是正确的,如果它等于1,那么爱因斯坦广义相对论是正确的。经过测算,最终得到的指数是0.9,眼下还有观测误差的影响。他们预计,如果继续观测到2020年,结果将更加精准。

  过去,银河系中心恒星的运动都可以用牛顿力学来解释,这是人类第一次获得与之产生偏差的观测结果。

  与此同时,研究人员还观察到“引力红移”现象。这是指,在远离引力场的地方观测时,引力场中物体发出的电磁波波长会变长。这种广义相对论预言的现象极其普遍地存在于人类身边,只是因为地球的引力场过于微弱,所以不明显。而人马座A*拥有的,是银河系最强的引力场之一。

  “银河系中心是我们的实验台。”论文的联合作者施特劳布说。另一位研究人员保马德告诉媒体,这是研究人员第一次以如此清晰的方式在一个正在移动的物体上观察到引力红移现象。

  比起他们从1992年用到2002年的“新技术望远镜”(NTT),“甚大望远镜”的有效口径提高了近5倍。后者还有4台口径1.8米的望远镜作辅助,改善成像品质。根舍的团队还专门设计了一套系统,用来校正望远镜的震动和地球大气层对观测的干扰。

  “它能看清月球表面网球大小的物体。”欧洲南方天文台的工作人员告诉中国青年报·中青在线。据统计,这座建立在智利北部阿塔卡马沙漠中的望远镜仅在2017年就为超过600篇学术论文提供了观测支持。在可见光波段观测设备中,只有哈勃太空望远镜产生的研究成果数量能和它相比。

  7月26日,欧洲南方天文台召开新闻发布会,宣布观测结果符合广义相对论的预测。大屏幕上随即显示一行字:“爱因斯坦1∶0牛顿”,现场立刻爆发出掌声和欢呼声。研究成果同日发表于《天文及天体物理学》杂志。

  “多年来,我们一直在为这次观测作准备。这是观察广义相对论效应的独特机会。”根舍说。这位德国马普地外物理研究所所长如今领导着来自全球五大天体物理研究机构、近20个国家的数百名研究人员。

  穿越

  在某种意义上,等待16年算得上是一个可以接受的时间。

  爱因斯坦于1916年基于广义相对论预言了引力波的存在,此后,一代代研究者想方设法打造设备,竞相成为第一个探测到它的人。100年过去了,人类才在2015年9月14日首次“听”到它穿越时空留下的涟漪。2017年诺贝尔物理学奖即授予为此作出主要贡献的人。

  天体物理学领域的研究大多如此,研究对象往往身在遥远的宇宙深处,科学家不仅需要有最顶尖的设备,有耐心,往往还需要一些好运气。

  如果距离我们13亿光年处两个黑洞的碰撞不是恰好发生在13亿年前的这个时刻,我们就无法收到引力波存在的证明。

  引力可能是人类最熟悉的物理概念了,苹果会往下掉、人不会凭空飘到天上、“水往低处流”是所有人都认同的自然规律。

  根据爱因斯坦1915年提出的广义相对论,引力是大质量物体扭曲时空结构的结果。这样的说法让人难以理解,因为它不符合我们的直觉。只有到类似人马座A*这样的大质量黑洞附近,我们才能更好地理解引力。

  让人接受反直观的科学定理不是一件容易的事情。广义相对论在今天已经被认为是科学真理,GPS设备的正常运转都离不开它。但在爱因斯坦刚刚提出广义相对论时,科学界无法接受它。一直到1919年的一场日全食中,人们亲眼见到水星位置的偏差,才相信太阳的引力场弯曲了时空,爱因斯坦可能是对的。

  时至今日,已经有足够多的证据支持广义相对论的正确性,但科学家永远忍不住在更极端、更特殊的条件下做试验,“不动手测一测总会不放心”。

  “在我们生存的太阳系中,条件是有限的,我们只能在一定的情况下测试物理定律。”欧洲南方天文台的工作人员说,“因此,天文学中一项重要的工作是,在极强的引力场等极端情况下,检查这些定律仍然有效。”

  根舍的团队将持续观测S0-2数年,从其他角度验证广义相对论,同时寻找其他离银河系中心黑洞更近的恒星。在论文的结尾,根舍附上了一张图表,标注了未来对广义相对论的检测计划。

  说起来,我们最近才“捕捉”到的景象,事实上发生在2.6万年前。那一刻,恒星S0-2绕行到了距离黑洞最近的位置,这个瞬间很偶然地成为验证广义相对论的重要证据。那时,人类还处在旧石器时代,星象学都尚未萌芽。我们的祖先也许正在星空下用石头打磨箭头,他们无法预料,正在头顶上发生的某个瞬间会在几万年后,被后代如此清晰地看见。

  中国青年报·中青在线见习记者 王嘉兴 来源:中国青年报

编辑:昕亚
 
 

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