科學(xué)現(xiàn)場
“愛因斯坦1∶0牛頓”
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(shí)勝出。
這是漫長的、穿越時(shí)空的競賽。為了最新的那個(gè)結(jié)果，萊因哈德·根舍已經(jīng)等了26年。
今年5月19日，這位天體物理學(xué)家觀測到名為S0-2的恒星運(yùn)行到距離銀河系中心黑洞人馬座A*最近的位置。在強(qiáng)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(xué)院提交了廣義相對論的最終版本，那時(shí)，牛頓力學(xué)統(tǒng)治物理學(xué)界已經(jīng)200多年。在宇宙中，星星到底會(huì)怎么轉(zhuǎn)，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，人類只能看到恒星在宇宙中飛馳?？茖W(xué)家能算出它的速度、質(zhì)量、年齡，卻始終無法看清它們的跑道。
不久前，人類終于看清，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(zhí)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(yàn)證廣義相對論的絕佳目標(biāo)。
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(yùn)動(dòng)著。兩個(gè)多月前，根舍的團(tuán)隊(duì)收到一條信號：S0-2到達(dá)了離黑洞最近的點(diǎn)。
這本不是什么稀奇的事情。宇宙中恒星的數(shù)量難以計(jì)數(shù)，僅銀河系內(nèi)，就有超過1000億顆。它們都圍繞著銀河系的中心轉(zhuǎn)動(dòng)，每天都有新的恒星誕生，也有已經(jīng)持續(xù)燃燒百億年的恒星走向生命的終點(diǎn)。
在科學(xué)家眼里，這些星星除了自然屬性，它們的誕生與消亡、運(yùn)動(dòng)與變化，還能證明不少在地球上只能用抽象符號呈現(xiàn)的理論。
S0-2是研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)觀測45顆備選恒星后確定的。從1992年起，根舍就利用歐洲南方天文臺位于智利的望遠(yuǎn)鏡觀測它。這顆恒星每16年繞黑洞運(yùn)動(dòng)一周，這意味著，觀測它近距離掠過黑洞的機(jī)會(huì)，每16年才有一次。一旦錯(cuò)過，只能等待下一次機(jī)會(huì)來臨。
失敗的滋味，根舍再清楚不過了。他已經(jīng)66歲，是人類中的長者。而他的研究對象要么遠(yuǎn)在幾萬光年以外，要么已經(jīng)誕生上億年。人類發(fā)射的、走得最遠(yuǎn)的旅行者1號探測器飛行了41年，行駛的距離還遠(yuǎn)不到1光年。
遙遠(yuǎn)的距離意味著極大的觀測難度。即使是最好的天文望遠(yuǎn)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(tuán)團(tuán)黑色的斑點(diǎn)和數(shù)萬張?zhí)顫M數(shù)字、意義不明的表格。他們只能不斷提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率，提升抗干擾的能力，只有看得更清楚，才更有可能獲得新發(fā)現(xiàn)。
失敗是常有的事。破壞計(jì)劃的家伙有時(shí)是一片厚一點(diǎn)的大氣云層，有時(shí)是一顆突如其來的廢棄人造衛(wèi)星，它們闖入鏡頭，研究者數(shù)月乃至數(shù)年的準(zhǔn)備就白費(fèi)了。
成功的“獎(jiǎng)賞”也是豐厚的。歐洲南方天文臺“甚大望遠(yuǎn)鏡”(VLT)對準(zhǔn)的黑洞人馬座A*，質(zhì)量大概相當(dāng)于400萬個(gè)太陽。人類還從未有機(jī)會(huì)觀察和研究如此大質(zhì)量的物體產(chǎn)生的引力場。
根舍的研究從上世紀(jì)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(gè)機(jī)構(gòu)之一。幾十年時(shí)間里，他觀測并研究過氣體云墜向黑洞，發(fā)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(fā)現(xiàn)和證明的。
他們一直密切關(guān)注著包括S0-2在內(nèi)的多顆恒星的運(yùn)動(dòng)。2002年時(shí)，S0-2曾到達(dá)他們期待的位置，但受限于當(dāng)時(shí)的觀測技術(shù)，望遠(yuǎn)鏡分辨率不夠，數(shù)據(jù)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(yuǎn)離觀測點(diǎn)。
盡管如此，這些數(shù)據(jù)還是幫助團(tuán)隊(duì)作出了不少成果。根舍本人也剛獲選歐洲科學(xué)院院士，并被法國天文學(xué)會(huì)、德國物理學(xué)會(huì)授予獎(jiǎng)?wù)?，但他仍然感到沮喪。他知道，錯(cuò)過一次，要花人生五分之一時(shí)間再等一次。
S0-2受諸多天體物理學(xué)家的青睞。這是人類第一次觀測一顆恒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(wǎng)站，分析和計(jì)算它的年齡、組成、質(zhì)量等信息，但有個(gè)問題至今無人能解答，在如此靠近黑洞的地方，一切都會(huì)被撕碎，它又是如何形成的。
對視
2018年7月19日，歐洲南方天文臺突然發(fā)布公告：將在一周后召開新聞發(fā)布會(huì)，公布一則重要的觀測結(jié)果。
相當(dāng)數(shù)量的天文愛好者都猜到了新聞發(fā)布會(huì)的內(nèi)容，事關(guān)那顆每16年繞黑洞一周，名為S0-2的恒星。
在過去半年時(shí)間里，根舍和他的團(tuán)隊(duì)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(shù)十年的成果。
他們使用的“甚大望遠(yuǎn)鏡”位于智利，同時(shí)承擔(dān)著多項(xiàng)科研任務(wù)，根舍的團(tuán)隊(duì)每天都要調(diào)試望遠(yuǎn)鏡，讓它處在最佳工作狀態(tài)。他不止一次向媒體表達(dá)，“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(yuǎn)鏡的注視下，恒星S0-2的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)被精準(zhǔn)地捕捉到了。這顆有16個(gè)太陽重的恒星以7650公里每秒的速度從距離黑洞最近的點(diǎn)呼嘯而過。經(jīng)過一個(gè)多月的分析和處理，研究團(tuán)隊(duì)終于公布了喜訊，他們成功驗(yàn)證了愛因斯坦的廣義相對論。
研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)指數(shù)，如果它等于0，意味著牛頓力學(xué)是正確的，如果它等于1，那么愛因斯坦廣義相對論是正確的。經(jīng)過測算，最終得到的指數(shù)是0.9，眼下還有觀測誤差的影響。他們預(yù)計(jì)，如果繼續(xù)觀測到2020年，結(jié)果將更加精準(zhǔn)。
過去，銀河系中心恒星的運(yùn)動(dòng)都可以用牛頓力學(xué)來解釋，這是人類第一次獲得與之產(chǎn)生偏差的觀測結(jié)果。
與此同時(shí)，研究人員還觀察到“引力紅移”現(xiàn)象。這是指，在遠(yuǎn)離引力場的地方觀測時(shí)，引力場中物體發(fā)出的電磁波波長會(huì)變長。這種廣義相對論預(yù)言的現(xiàn)象極其普遍地存在于人類身邊，只是因?yàn)榈厍虻囊鲞^于微弱，所以不明顯。而人馬座A*擁有的，是銀河系最強(qiáng)的引力場之一。
“銀河系中心是我們的實(shí)驗(yàn)臺。”論文的聯(lián)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(gè)正在移動(dòng)的物體上觀察到引力紅移現(xiàn)象。
比起他們從1992年用到2002年的“新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡”(NTT)，“甚大望遠(yuǎn)鏡”的有效口徑提高了近5倍。后者還有4臺口徑1.8米的望遠(yuǎn)鏡作輔助，改善成像品質(zhì)。根舍的團(tuán)隊(duì)還專門設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)，用來校正望遠(yuǎn)鏡的震動(dòng)和地球大氣層對觀測的干擾。
“它能看清月球表面網(wǎng)球大小的物體。”歐洲南方天文臺的工作人員告訴中國青年報(bào)·中青在線。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這座建立在智利北部阿塔卡馬沙漠中的望遠(yuǎn)鏡僅在2017年就為超過600篇學(xué)術(shù)論文提供了觀測支持。在可見光波段觀測設(shè)備中，只有哈勃太空望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的研究成果數(shù)量能和它相比。
7月26日，歐洲南方天文臺召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布觀測結(jié)果符合廣義相對論的預(yù)測。大屏幕上隨即顯示一行字：“愛因斯坦1∶0牛頓”，現(xiàn)場立刻爆發(fā)出掌聲和歡呼聲。研究成果同日發(fā)表于《天文及天體物理學(xué)》雜志。
“多年來，我們一直在為這次觀測作準(zhǔn)備。這是觀察廣義相對論效應(yīng)的獨(dú)特機(jī)會(huì)。”根舍說。這位德國馬普地外物理研究所所長如今領(lǐng)導(dǎo)著來自全球五大天體物理研究機(jī)構(gòu)、近20個(gè)國家的數(shù)百名研究人員。
穿越
在某種意義上，等待16年算得上是一個(gè)可以接受的時(shí)間。
愛因斯坦于1916年基于廣義相對論預(yù)言了引力波的存在，此后，一代代研究者想方設(shè)法打造設(shè)備，競相成為第一個(gè)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(shí)空留下的漣漪。2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)即授予為此作出主要貢獻(xiàn)的人。
天體物理學(xué)領(lǐng)域的研究大多如此，研究對象往往身在遙遠(yuǎn)的宇宙深處，科學(xué)家不僅需要有最頂尖的設(shè)備，有耐心，往往還需要一些好運(yùn)氣。
如果距離我們13億光年處兩個(gè)黑洞的碰撞不是恰好發(fā)生在13億年前的這個(gè)時(shí)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(huì)往下掉、人不會(huì)憑空飄到天上、“水往低處流”是所有人都認(rèn)同的自然規(guī)律。
根據(jù)愛因斯坦1915年提出的廣義相對論，引力是大質(zhì)量物體扭曲時(shí)空結(jié)構(gòu)的結(jié)果。這樣的說法讓人難以理解，因?yàn)樗环衔覀兊闹庇X。只有到類似人馬座A*這樣的大質(zhì)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(xué)定理不是一件容易的事情。廣義相對論在今天已經(jīng)被認(rèn)為是科學(xué)真理，GPS設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)都離不開它。但在愛因斯坦剛剛提出廣義相對論時(shí)，科學(xué)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(shí)空，愛因斯坦可能是對的。
時(shí)至今日，已經(jīng)有足夠多的證據(jù)支持廣義相對論的正確性，但科學(xué)家永遠(yuǎn)忍不住在更極端、更特殊的條件下做試驗(yàn)，“不動(dòng)手測一測總會(huì)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。”歐洲南方天文臺的工作人員說，“因此，天文學(xué)中一項(xiàng)重要的工作是，在極強(qiáng)的引力場等極端情況下，檢查這些定律仍然有效。”
根舍的團(tuán)隊(duì)將持續(xù)觀測S0-2數(shù)年，從其他角度驗(yàn)證廣義相對論，同時(shí)尋找其他離銀河系中心黑洞更近的恒星。在論文的結(jié)尾，根舍附上了一張圖表，標(biāo)注了未來對廣義相對論的檢測計(jì)劃。
說起來，我們最近才“捕捉”到的景象，事實(shí)上發(fā)生在2.6萬年前。那一刻，恒星S0-2繞行到了距離黑洞最近的位置，這個(gè)瞬間很偶然地成為驗(yàn)證廣義相對論的重要證據(jù)。那時(shí)，人類還處在舊石器時(shí)代，星象學(xué)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(yù)料，正在頭頂上發(fā)生的某個(gè)瞬間會(huì)在幾萬年后，被后代如此清晰地看見。
中國青年報(bào)·中青在線見習(xí)記者 王嘉興 來源：中國青年報(bào)
