第一張黑洞圖像幫助以新方式測試廣義相對論

2019 年 4 月發布第一張黑洞圖像時，它有力地證實了阿爾伯特愛因斯坦的引力理論或廣義相對論。

這個理論不僅描述了物質扭曲時空的方式，而且還預測了黑洞的存在，包括黑洞在圍繞一些緻密物體旋轉的明亮物質盤上投射的陰影的大小。 那個標誌性的形象，M87 星系中心的超大質量黑洞距離約 5500 萬光年，顯示陰影與廣義相對論對其大小的預測非常吻合（序號：2019 年 4 月 10 日）。 換句話說，愛因斯坦又是對的。

事件視界望遠鏡合作組織報告的這個結果回答了一個問題：M87 黑洞的大小與廣義相對論一致嗎？

但“很難回答相反的問題：我可以在多大程度上調整廣義相對論，同時仍然與[黑洞]測量保持一致？” 圖森亞利桑那大學的 EHT 團隊成員 Dimitrios Psaltis 說。 這個問題很關鍵，因為其他重力理論仍然有可能描述宇宙，但在黑洞附近偽裝成廣義相對論。

10 月 1 日發表於《物理評論快報，Psaltis 和同事利用 M87 黑洞的影子邁出重要一步從而排除那些替代理論。

具體來說，研究人員利用黑洞的大小進行了所謂的廣義相對論「二階」測試，旨在提高結果的可信度。 新澤西州普林斯頓高級研究所的 EHT 團隊成員 Lia Medeiros 表示，“在太陽系中實際上無法做到”，因為重力場太弱。

研究人員在進行二階測試時發現，到目前為止，相對論進展順利。

結果與先進雷射干涉儀重力波天文台等重力波實驗的結果相當，此天文台偵測到時空漣漪來自比 M87 更小的黑洞的合併（序號：2019 年 9 月 16 日）。 但這項新研究很有趣，因為「這是透過黑洞觀測來限制[二階]效應的首次嘗試，」約翰霍普金斯大學的物理學家埃馬努埃萊貝爾蒂（Emanuele Berti）說道，他沒有參與這項新工作。

一般來說，物理學家認為廣義相對論是艾薩克·牛頓引力理論的一系列修正或補充。 廣義相對論預測了這些附加元件應該是什麼。 如果宇宙中引力如何作用的測量與這些預測有偏差，那麼物理學家就知道廣義相對論並不是故事的全部。 測試中新增的附加項或因素越多，結果的可信度就越高。

在弱重力場中，例如太陽系內，物理學家可以測試牛頓方程式的「一階」加法是否與廣義相對論一致。 這些添加內容與光和質量如何在扭曲的時空中傳播，或者重力如何使時間流得更慢等事情有關。

引力的這些方面已經透過恆星的方式進行了測試日食期間光線會發生偏轉例如，發送到遠離太陽的太空船的雷射返回地球的時間比預期的要長（序號：2019 年 5 月 29 日）。 廣義相對論每次都過去了。

但需要強大的重力場，例如 M87 黑洞周圍的重力場，才能讓測試更上一層樓。

對於希望在愛因斯坦理論中找到裂縫的物理學家來說，新結果有點令人失望。 發現與廣義相對論的偏差可能為新物理學指明道路。 或者它可以幫助統一廣義相對論、非常大的物理學和量子力學，描述非常小的物理學的領先理論，如亞原子粒子和原子（序號：3/30/20）。 帕薩爾蒂斯說，廣義相對論仍然拒絕屈服的事實「讓我們這些年齡足夠大、希望在有生之年得到答案的人感到擔憂」。

但人們還是希望廣義相對論在黑洞周圍仍然會失敗。 這項新研究使理論分解的可能方法範圍變得更小，「但我們並沒有把它變得無限小，」梅代羅斯說。 這項研究“是一個概念證明，表明 EHT 可以做到這一點……但這實際上只是眾多研究中的第一步。”

她說，EHT 未來的觀測將對廣義相對論進行更精確的測試，尤其是尚未發布的銀河系中心黑洞 Sgr A* 的圖像。 由於人馬座 A* 質量的測量比任何其他超大質量黑洞都要精確得多，該圖像可能會使圍繞該理論的可能盒子變得更小，或者將其炸開。