利用银心恒星检验广义相对论的预言
银河系的中心地带一直吸引着天体物理学家的目光，就连前段时间的MeerKAT都免不了用银心图像来庆祝自己的全面落成。银心的极端环境造就了整个星系中最重的恒星、体量最大的年轻星团、神秘的G天体和无数纷杂的纤维状结构，当然还有整个银河系的轴心——一个质量数百万倍于太阳的特大质量黑洞。
特大质量黑洞的存在当然也就意味着周边存在强引力场，而这就为天文学家和物理学家提供了一座检验广义相对论的天然实验室。像著名的视界望远镜（Event Horizon Telescope）计划多年以来就以直接获取银心黑洞视界结构的甚长基线干涉图作为奋斗目标，一旦成功，我们对黑洞周边环境的认识想必会更上一层楼。
另一种检验广义相对论的方式则是借助银心恒星所发出的辐射。根据从等效原理出发得到的预言，在强引力场中的光源会遭受引力红移效应。与常见的多普勒红移类似，受到引力红移后的辐射频率会朝向长波一端移动。这一效应之前已经借助白矮星和地面及卫星实验得到了验证，但是在特大质量黑洞这样的强引力场中，相关的检验还是从来没有过的事情。
引力红移原理示意，左为发出辐射的恒星，右为具有强引力场的致密天体。（图片来源：Wikipedia）
最近欧洲南方天文台的甚大望远镜（VLT）就第一次实现了借助银心星光证实引力红移的壮举。要想实现这个目标，可不是随便选择一颗恒星就能满足需求的。首先这颗星要能够抵达距离黑洞足够近的地方，这样它才有机会遭受足够强的引力；但同时它也不可以一直停留在黑洞旁边，否则也就没有了进行比较的机会。而要在距离地球26000光年之外尘云漫布的银河系核心地带辨识出单颗恒星的踪影，也是非要使用大型红外望远镜（如果是地面望远镜的话，还必须结合主动/自适应光学技术）不可的。
甚大望远镜在硬件上算是达标了，当然如果作为当代天文学一大旗舰的它不能达标，怕是现今也没有几架望远镜能够满足要求了；至于恒星的选择，人们倒是已经知道了一些环绕特大质量黑洞作近距离轨道运动的银心恒星，比如轨道周期16年多一点、近心距只有120天文单位的S2（又名S0–2）。唯一的问题是数据的积攒——这次VLT是卯足了将近20年的力气，又结合了欧南台3.6米新技术望远镜自1990年以来采集的观测结果，才全面覆盖了S2的整个运行轨道，让引力红移的迹象得以现身。
银心恒星S2自1990年至今的轨道运动情况。（图片提供：ESO/MPE/GRAVITY Collaboration）
当然，引力红移的辨认也离不开高精度分光观测。S2的近心点距离也是黑洞史瓦西半径的1400倍左右，因此引力在此处对星光颜色的改变也是微乎其微，单凭肉眼是无法查觉的。参与S2观测的VLT光谱仪共有2001年启用的NACO（内氏焦点自适应光学系统+近红外成象与摄谱仪）、2004年启用的SINFONI（近红外集成视场观测摄谱仪）以及2015年方才启用，并在次年第一次瞄准银心的GRAVITY三台。这其中的GRAVITY本身就是专为观测星系中心的暗弱天体而设计，结合了干涉仪的功用，更有能力将VLT的所有4架主镜联合起来，性能最为强大。
GRAVITY干涉仪的外观。在今年早些时候ESPRESSO正式将VLT的4架主镜合为一体之前，GRAVITY已经尝试过结合4架辅助望远镜了。（图片提供：ESO/GRAVITY Collaboration）
NACO、SINFONI以及更早些时候新技术望远镜的观测其实只是铺垫。今年5月，S2通过了近心点，在此前后的观测尤为其关键。在此期间，GRAVITY与SINFONI联合观测，前者用于精确跟踪S2的位置，后者则负责细致测量S2相对地球的速度变化——此时一颗普通恒星的速度已然达到了光速的3%。但就算如此，引力引起的红移也不过是在万分之一的量级，能全面而完善地排除S2的轨道速度、相对地球的运动等因素，并将微弱的引力效应，也不得不让人佩服SINFONI的分辨能力。
在S2今年通过近心点前后，SINFONI与GRAVITY对这颗恒星的观测结果。（图片来源：GRAVITY Collaboration 2018）
观测表明，S2通过近心点前后的运动并不能用纯牛顿力学来描述，而必须要借助基于广义相对论的一阶后牛顿近似项——这是相对论理论在当前观测精度下，能够在特大质量黑洞周边适用的证据。不过这一结果现在还称不上完善，对黑洞模型的改进以及更多观测的开展有望在未来取得更可靠的结论。
除了引力红移，S2还可以在不久的将来远离黑洞期间，经由一种名叫史瓦西进动的效应提供相对论的另一项检验。无论如何，VLT的新一代观测仪器已然开了一个好头，分辨率惊人的新发现已然向研究者招手。
艺术家笔下从黑洞附近经过的S2，以及夸张化的辐射颜色变化。（图片提供：ESO/M. Kornmesser）
