在《自然》（Nature）雜志最近刊載的一項新研究中，我國科學家領導的一個國際研究團隊，通過對黑洞的觀測分析，再次證明了愛因斯坦廣義相對論的正確性。

如果要說對廣義相對論最直觀的證明，當屬2019年公布的第一張黑洞照片。天文學家利用事件視界望遠鏡（EHT）捕捉到了M87星系中心的超大質量黑洞，從中可以看到明亮的圓盤繞著一個黑色的區域，這是人類第一次直接觀測到黑洞。這個黑洞的質量為太陽的66億倍，與地球相距5350萬光年。

廣義相對論本質上是一種引力理論，它通過時空幾何效應來描述引力作用，由此可以比牛頓萬有引力定律更加精確預言天體運動。尤其是在極端引力場的情況下，牛頓引力理論的預言誤差很大，此時只能利用廣義相對論來描述。過去百年來，天文學家不斷觀測強引力場中的引力現象，以此在嚴苛條件下來檢驗廣義相對論。

黑洞是廣義相對論的一個重要預言之一。根據廣義相對論，當把一個物體的尺寸壓縮到足夠小的程度，也就是小于自身史瓦西半徑時，它就會無限坍縮成一個奇點，其極端的引力會扭曲周圍的時空，將奇點包裹起來，使得光進入這樣的空間中無法逃脫，這樣就成了不發光的黑洞。

由于黑洞自身不發光，過去都是通過間接方法來研究黑洞的存在。直到事件視界望遠鏡投入使用，才讓直接觀測黑洞成為可能。

雖然黑洞本身是黑的，但它們會吞噬周圍的物質。當這些物質在螺旋掉入黑洞的過程中，在黑洞極端引力的作用下，物質之間相互劇烈摩擦，可以轉變成巨大的能量，其質能轉換效率最高可達40%，而氫核聚變的質能轉換效率僅有0.7%。

于是，在一些黑洞周圍，就會形成一個發光的明亮圓盤，這就是吸積盤。事件視界望遠鏡觀測到黑洞的發光部分即為吸積盤，而黑洞本體就位于吸積盤的中間。

在垂直于吸積盤方向，還會有一些物質被以接近光速的速度噴射出來，這就是黑洞噴流。據估計，M87星系中心超大質量黑洞的噴流長度可達5000光年。

此外，黑洞自身也在自轉。如果黑洞自轉軸方向與吸積盤噴流方向不重合，隨著黑洞的自轉，就能觀測到噴流出現周期性擺動。此次天文學家觀測到了M87星系中心超大質量黑洞的噴流擺動，周期為11年，由此也證實了這個黑洞在自轉。

根據廣義相對論，對于黑洞這種產生極端引力場的天體，在自轉過程中，還會對周圍的時空產生顯著的系拖拽，這就是所謂的參考系拖拽效應。在這項新研究中，天文學家詳細觀測了參考系拖拽，結果表明完全吻合廣義相對論的預言。

再過幾天，一年一度的諾貝爾物理學獎又要公布了。雖然愛因斯坦并沒有因為廣義相對論而獲得諾獎，但廣義相對論作出了諸多的預言都被天文觀測一一證實，其中包括引力波、黑洞，多位物理學家也因此獲得了諾貝爾物理學獎。

參考文獻

[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.