科學也可以如此靠近

除了黑洞,愛因斯坦還說對了什麼?

4月
12
2019

2019年4月12日08時 冰點周刊

冰點周刊

韓國首爾舉行的愛因斯坦發表「相對論」100周年紀念展。這套革命性的理論從根本上改變了人們對時間和空間的理解。視覺中國供圖

本文約3700字

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剛剛過去的2019年4月10日註定是一個載入史冊的日子。這一天,人類第一次看到了黑洞的真面目。

其實我們早就知道它的存在。我們通過引力波「聽」到過它們合併的「聲音」,相關理論早已寫入教科書、成為一門學科的理論基石。它還是人類好奇心、想像力的集合,無數藝術作品裡,黑洞都是絕對的主角。

而這張被人調侃像蜂窩煤和取暖器的照片,意義也遠不在於「看見」這麼簡單。在科學家眼裡,它的形狀、大小、光暈的性質都意味著新知:那些人類最聰明的大腦想出的理論,有多少經得起考驗。

迄今為止,愛因斯坦少有失誤的時候。這次拍照的結果又双叒叕驗證了愛因斯坦早在104年前提出的廣義相對論。以下這篇文章將要講述科學家驗證愛因斯坦另一預測的故事。

為了給黑洞拍照,人類準備了2年,但為了這項研究,人類準備了26年之久。

事實上,在天文領域,這樣漫長的等待已是家常便飯。當我們仰望星空、對它寄予美妙幻想時,不要忘記那些將一生投入這項事業的人。科學研究需要的不是一時興起,這是一場曠日持久、失敗多於成功的征途。

作者 | 王嘉興

編輯 | 秦珍子

世界上最聰明的兩顆腦袋剛剛完成了一輪對決,愛因斯坦暫時勝出。

這是漫長的、穿越時空的競賽。為了最新的那個結果,萊因哈德·根舍已經等了26年。

2018年5月19日,這位天體物理學家觀測到名為S0-2的恆星運行到距離銀河系中心黑洞人馬座A*最近的位置。在強大的引力場下,它被加速到每秒近8000公里的速度。

1915年11月,阿爾伯特·愛因斯坦向普魯士科學院提交了廣義相對論的最終版本,那時,牛頓力學統治物理學界已經200多年。在宇宙中,星星到底會怎麼轉,牛頓早就指出了一條路,但愛因斯坦的理論畫出了另一條路。

過去,人類只能看到恆星在宇宙中飛馳。科學家能算出它的速度、質量、年齡,卻始終無法看清它們的跑道。

不久前,人類終於看清,它們選擇了愛因斯坦的路。

擦肩

天上的很多星星、黑洞都是根舍的老熟人,但S0-2讓他執著「追」了很多年。它名字不浪漫,身份也不足夠特別,但它年輕、明亮、離黑洞夠近,是驗證廣義相對論的絕佳目標。

S0-2在距離地球約2.6萬光年的銀河系中心附近圍繞人馬座A*黑洞運動著。早些時候,根舍的團隊收到一條信號:S0-2到達了離黑洞最近的點。

這本不是什麼稀奇的事情。宇宙中恆星的數量難以計數,僅銀河系內,就有超過1000億顆。它們都圍繞著銀河系的中心轉動,每天都有新的恆星誕生,也有已經持續燃燒百億年的恆星走向生命的終點。

在科學家眼裡,這些星星除了自然屬性,它們的誕生與消亡、運動與變化,還能證明不少在地球上只能用抽象符號呈現的理論。

S0-2是研究團隊詳細觀測45顆備選恆星後確定的。從1992年起,根舍就利用歐洲南方天文台位於智利的望遠鏡觀測它。這顆恆星每16年繞黑洞運動一周,這意味著,觀測它近距離掠過黑洞的機會,每16年才有一次。一旦錯過,只能等待下一次機會來臨。

失敗的滋味,根舍再清楚不過了。他已經66歲,是人類中的長者。而他的研究對象要麼遠在幾萬光年以外,要麼已經誕生上億年。人類發射的、走得最遠的旅行者1號探測器飛行了41年,行駛的距離還遠不到1光年。

遙遠的距離意味著極大的觀測難度。即使是最好的天文望遠鏡,傳遞給研究者的所謂「星空圖片」,也不過是灰色底片上一團團黑色的斑點和數萬張填滿數字、意義不明的表格。他們只能不斷提高望遠鏡的解析度,提升抗干擾的能力,只有看得更清楚,才更有可能獲得新發現。

失敗是常有的事。破壞計劃的傢伙有時是一片厚一點的大氣雲層,有時是一顆突如其來的廢棄人造衛星,它們闖入鏡頭,研究者數月乃至數年的準備就白費了。

成功的「獎賞」也是豐厚的。歐洲南方天文台「甚大望遠鏡」(VLT)對準的黑洞人馬座A*,質量大概相當於400萬個太陽。人類還從未有機會觀察和研究如此大質量的物體產生的引力場。

根舍的研究從上世紀80年代就開始了,他所在的德國馬普地外物理研究所是研究銀河系中心最重要的兩個機構之一。幾十年時間裡,他觀測並研究過氣體雲墜向黑洞,發展了銀河系誕生、「長大」的理論,甚至連銀河系中心黑洞人馬座A*的存在都是他發現和證明的。

他們一直密切關注著包括S0-2在內的多顆恆星的運動。2002年時,S0-2曾到達他們期待的位置,但受限於當時的觀測技術,望遠鏡解析度不夠,數據無法支撐廣義相對論的模型,他們只能眼睜睜地看著S0-2遠離觀測點。

數顆恆星繞銀河中心黑洞運行示意圖

儘管如此,這些數據還是幫助團隊作出了不少成果。根舍本人也剛獲選歐洲科學院院士,並被法國天文學會、德國物理學會授予獎章,但他仍然感到沮喪。他知道,錯過一次,要花人生五分之一時間再等一次。

S0-2受諸多天體物理學家的青睞。這是人類第一次觀測一顆恆星在距離銀河系中心黑洞如此近的地方飛馳。研究者為它建立了專門的網站,分析和計算它的年齡、組成、質量等信息,但有個問題至今無人能解答,在如此靠近黑洞的地方,一切都會被撕碎,它又是如何形成的。

對視

2018年7月19日,歐洲南方天文台突然發布公告:將在一周後召開新聞發布會,公布一則重要的觀測結果。

相當數量的天文愛好者都猜到了新聞發布會的內容,事關那顆每16年繞黑洞一周,名為S0-2的恆星。

在過去半年時間裡,根舍和他的團隊每天都頂著巨大的壓力工作。對根舍來說,如果再失敗一次,他就可能無法在有生之年得到期待了數十年的成果。

位於智利的「甚大望遠鏡」 圖片來源網絡

他們使用的「甚大望遠鏡」位於智利,同時承擔著多項科研任務,根舍的團隊每天都要調試望遠鏡,讓它處在最佳工作狀態。他不止一次向媒體表達,「我們每天都在趕死線」。

這次他們沒有失望。在4架8.2米口徑的望遠鏡的注視下,恆星S0-2的運動數據被精準地捕捉到了。這顆有16個太陽重的恆星以7650公里每秒的速度從距離黑洞最近的點呼嘯而過。經過一個多月的分析和處理,研究團隊終於公布了喜訊,他們成功驗證了愛因斯坦的廣義相對論。

研究人員設計了一個指數,如果它等於0,意味著牛頓力學是正確的,如果它等於1,那麼愛因斯坦廣義相對論是正確的。經過測算,最終得到的指數是0.9,眼下還有觀測誤差的影響。他們預計,如果繼續觀測到2020年,結果將更加精準。

過去,銀河系中心恆星的運動都可以用牛頓力學來解釋,這是人類第一次獲得與之產生偏差的觀測結果。

與此同時,研究人員還觀察到「引力紅移」現象。這是指,在遠離引力場的地方觀測時,引力場中物體發出的電磁波波長會變長。這種廣義相對論預言的現象極其普遍地存在於人類身邊,只是因為地球的引力場過於微弱,所以不明顯。而人馬座A*擁有的,是銀河系最強的引力場之一。

「銀河系中心是我們的實驗台。」論文的聯合作者施特勞布說。另一位研究人員保馬德告訴媒體,這是研究人員第一次以如此清晰的方式在一個正在移動的物體上觀察到引力紅移現象。

比起他們從1992年用到2002年的「新技術望遠鏡」(NTT),「甚大望遠鏡」的有效口徑提高了近5倍。後者還有4台口徑1.8米的望遠鏡作輔助,改善成像品質。根舍的團隊還專門設計了一套系統,用來校正望遠鏡的震動和地球大氣層對觀測的干擾。

「它能看清月球表面網球大小的物體。」歐洲南方天文台的工作人員告訴中國青年報·中青在線。據統計,這座建立在智利北部阿塔卡馬沙漠中的望遠鏡僅在2017年就為超過600篇學術論文提供了觀測支持。在可見光波段觀測設備中,只有哈勃太空望遠鏡產生的研究成果數量能和它相比。

2018年7月26日,歐洲南方天文台召開新聞發布會,宣布觀測結果符合廣義相對論的預測。大螢幕上隨即顯示一行字:「愛因斯坦1∶0牛頓」,現場立刻爆發出掌聲和歡呼聲。研究成果同日發表於《天文及天體物理學》雜誌。

「多年來,我們一直在為這次觀測作準備。這是觀察廣義相對論效應的獨特機會。」根舍說。這位德國馬普地外物理研究所所長如今領導著來自全球五大天體物理研究機構、近20個國家的數百名研究人員。

穿越

在某種意義上,等待16年算得上是一個可以接受的時間。

愛因斯坦於1916年基於廣義相對論預言了引力波的存在,此後,一代代研究者想方設法打造設備,競相成為第一個探測到它的人。100年過去了,人類才在2015年9月14日首次「聽」到它穿越時空留下的漣漪。2017年諾貝爾物理學獎即授予為此作出主要貢獻的人。

天體物理學領域的研究大多如此,研究對象往往身在遙遠的宇宙深處,科學家不僅需要有最頂尖的設備,有耐心,往往還需要一些好運氣。

如果距離我們13億光年處兩個黑洞的碰撞不是恰好發生在13億年前的這個時刻,我們就無法收到引力波存在的證明。

引力可能是人類最熟悉的物理概念了,蘋果會往下掉、人不會憑空飄到天上、「水往低處流」是所有人都認同的自然規律。

根據愛因斯坦1915年提出的廣義相對論,引力是大質量物體扭曲時空結構的結果。這樣的說法讓人難以理解,因為它不符合我們的直覺。只有到類似人馬座A*這樣的大質量黑洞附近,我們才能更好地理解引力。

讓人接受反直觀的科學定理不是一件容易的事情。廣義相對論在今天已經被認為是科學真理,GPS設備的正常運轉都離不開它。但在愛因斯坦剛剛提出廣義相對論時,科學界無法接受它。一直到1919年的一場日全食中,人們親眼見到水星位置的偏差,才相信太陽的引力場彎曲了時空,愛因斯坦可能是對的。

時至今日,已經有足夠多的證據支持廣義相對論的正確性,但科學家永遠忍不住在更極端、更特殊的條件下做試驗,「不動手測一測總會不放心」。

「在我們生存的太陽系中,條件是有限的,我們只能在一定的情況下測試物理定律。」歐洲南方天文台的工作人員說,「因此,天文學中一項重要的工作是,在極強的引力場等極端情況下,檢查這些定律仍然有效。」

根舍的團隊將持續觀測S0-2數年,從其他角度驗證廣義相對論,同時尋找其他離銀河系中心黑洞更近的恆星。在論文的結尾,根舍附上了一張圖表,標註了未來對廣義相對論的檢測計劃。

說起來,我們最近才「捕捉」到的景象,事實上發生在2.6萬年前。那一刻,恆星S0-2繞行到了距離黑洞最近的位置,這個瞬間很偶然地成為驗證廣義相對論的重要證據。那時,人類還處在舊石器時代,星象學都尚未萌芽。我們的祖先也許正在星空下用石頭打磨箭頭,他們無法預料,正在頭頂上發生的某個瞬間會在幾萬年後,被後代如此清晰地看見。

作者簡介

王嘉興

畢業於清華大學物理系

可能是記者里最懂物理的人之一

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中國青年報·中青在線出品

微信編輯 | 實習生 李和風

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