爱因斯坦又对了！5350万光年外的黑洞，再次应验广义相对论的预言
在《自然》（Nature）杂志最近刊载的一项新研究中，我国科学家领导的一个国际研究团队，通过对黑洞的观测分析，再次证明了爱因斯坦广义相对论的正确性。
如果要说对广义相对论最直观的证明，当属2019年公布的第一张黑洞照片。天文学家利用事件视界望远镜（EHT）捕捉到了M87星系中心的超大质量黑洞，从中可以看到明亮的圆盘绕着一个黑色的区域，这是人类第一次直接观测到黑洞。这个黑洞的质量为太阳的66亿倍，与地球相距5350万光年。
广义相对论本质上是一种引力理论，它通过时空几何效应来描述引力作用，由此可以比牛顿万有引力定律更加精确预言天体运动。尤其是在极端引力场的情况下，牛顿引力理论的预言误差很大，此时只能利用广义相对论来描述。过去百年来，天文学家不断观测强引力场中的引力现象，以此在严苛条件下来检验广义相对论。
黑洞是广义相对论的一个重要预言之一。根据广义相对论，当把一个物体的尺寸压缩到足够小的程度，也就是小于自身史瓦西半径时，它就会无限坍缩成一个奇点，其极端的引力会扭曲周围的时空，将奇点包裹起来，使得光进入这样的空间中无法逃脱，这样就成了不发光的黑洞。
由于黑洞自身不发光，过去都是通过间接方法来研究黑洞的存在。直到事件视界望远镜投入使用，才让直接观测黑洞成为可能。
虽然黑洞本身是黑的，但它们会吞噬周围的物质。当这些物质在螺旋掉入黑洞的过程中，在黑洞极端引力的作用下，物质之间相互剧烈摩擦，可以转变成巨大的能量，其质能转换效率最高可达40%，而氢核聚变的质能转换效率仅有0.7%。
于是，在一些黑洞周围，就会形成一个发光的明亮圆盘，这就是吸积盘。事件视界望远镜观测到黑洞的发光部分即为吸积盘，而黑洞本体就位于吸积盘的中间。
在垂直于吸积盘方向，还会有一些物质被以接近光速的速度喷射出来，这就是黑洞喷流。据估计，M87星系中心超大质量黑洞的喷流长度可达5000光年。
此外，黑洞自身也在自转。如果黑洞自转轴方向与吸积盘喷流方向不重合，随着黑洞的自转，就能观测到喷流出现周期性摆动。此次天文学家观测到了M87星系中心超大质量黑洞的喷流摆动，周期为11年，由此也证实了这个黑洞在自转。
根据广义相对论，对于黑洞这种产生极端引力场的天体，在自转过程中，还会对周围的时空产生显著的系拖拽，这就是所谓的参考系拖拽效应。在这项新研究中，天文学家详细观测了参考系拖拽，结果表明完全吻合广义相对论的预言。
再过几天，一年一度的诺贝尔物理学奖又要公布了。虽然爱因斯坦并没有因为广义相对论而获得诺奖，但广义相对论作出了诸多的预言都被天文观测一一证实，其中包括引力波、黑洞，多位物理学家也因此获得了诺贝尔物理学奖。
参考文献
[1] Yuzhu Cui, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, et al. Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87, Nature, 2023, 621, 711-715.