第一张黑洞图像以一种新的方式帮助检验广义相对论

　　●事件视界望远镜拍摄的M87黑洞快照再次证明爱因斯坦是正确的。
　　▶如图所示，模拟光和物质在M87星系中心超大质量黑洞周围运动的方式帮助物理学家确定了黑洞投射在周围物质上阴影的大小。这个尺寸在广义相对论的测试中是至关重要的。
　　2019年4月发布的第一张黑洞图像，有力地证实了阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论，即广义相对论。
　　该理论不仅描述了物质扭曲时空的方式，而且还预测了黑洞的存在，包括黑洞投射在围绕一些致密物体旋转的明亮圆盘上的阴影的大小。在距离我们5500万光年远的M87星系中心的超大质量黑洞的标志性图像显示，阴影与广义相对论对其大小的预测非常吻合(SN: 4/10/19)。换句话说，爱因斯坦又一次是对的。
　　Event Horizon Telescope Collaboration报道的这个结果回答了一个问题:M87黑洞的大小是否符合广义相对论?
　　但是，＂要回答相反的问题是非常困难的:我能对广义相对论进行多大的调整，同时还能与(黑洞)测量结果保持一致?＂图森市亚利桑那大学EHT团队成员Dimitrios Psaltis说。这个问题很关键，因为仍然有可能有其他一些引力理论可以描述宇宙（但伪装成黑洞附近的广义相对论）。
　　在10月1日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一项研究中，瑟蒂斯和同事们利用M87黑洞的阴影，在排除那些替代理论方面迈出了重要的一步。
　　具体来说，研究人员利用黑洞的大小来进行所谓的广义相对论的＂二阶＂测试，旨在增强对结果的信心。＂这在太阳系是不可能的＂，因为引力场太弱，EHT团队成员Lia Medeiros说，她来自新泽西州普林斯顿的高级研究所。
　　研究人员在进行这个二阶测试时发现，到目前为止，相对论还算不错。
　　这一结果与引力波实验的结果相当，比如先进的激光干涉引力波观测台，它探测到了比M87小的黑洞合并后在时空中产生的波纹。但是这项新的研究很有趣，因为＂这是第一次尝试通过对黑洞的观察来限制(二阶)效应，＂约翰霍普金斯大学的物理学家Emanuele Berti说，他没有参与这项新工作。
　　一般来说，物理学家认为广义相对论是对艾萨克·牛顿引力理论的修正或附加。广义相对论预测了这些附加项应该是什么。如果对宇宙中引力作用的测量偏离了这些预测，那么物理学家就知道广义相对论并不是全部。测试中附加的东西或因素越多，结果就越有信心。
　　在弱引力场中，比如在太阳系中，物理学家可以测试牛顿方程的＂一阶＂加法是否符合广义相对论。这些增加的部分与光和质量如何在扭曲的时空中传播有关，或者重力如何使时间流动得更慢。
　　例如，在日食期间，恒星的光线发生偏转，发射到远离太阳的航天器的激光返回地球的时间比预期要长(SN: 5/29/19)，这些都对引力的这些方面进行了测试。广义相对论每次都通过。
　　但是，需要像M87黑洞周围的引力场那样的强引力场，才能把测试提高一个等级。
　　对于那些希望在爱因斯坦的理论中找到裂缝的物理学家来说，这个新的结果有点令人失望。发现一个偏离广义相对论的点可以为新的物理学指明方向。或者它可以帮助统一广义相对论(非常大的物理学)和量子力学(描述亚原子粒子和原子等非常小的物理的主要理论)。事实上，广义相对论仍然拒绝屈服，这＂让我们这些年纪足够大的人担心，我们希望在有生之年得到答案，＂Psaltis 说。
　　但广义相对论仍有可能在黑洞周围失效。这项新的研究使得这个理论的可能被瓦解变得更小，＂但是我们还没有把它变得无穷小，＂Medeiros说。这项研究＂证明了EHT可以做到这一点……但这只是许多步骤中的第一步。＂
　　她说，未来EHT的观测结果将有助于更精确地检验广义相对论，尤其是尚未公布的Sgr A*(银河系中心的黑洞)的图像。由于对Sgr A*质量的测量比任何其他超大质量黑洞都要精确得多，这张照片可能会使围绕该理论的盒子变得更小——或者把它炸得更大。