愛因斯坦對重力的描述更難擊敗
中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2020年10月01日
愛因斯坦的廣義相對論——認為重力是物質將時空扭曲的想法——已經通過百餘年來眾多檢驗測試，最新的一個測試剛發表在《物理評論快報》上，出自「事件視界望遠鏡」（簡稱EHT）。根據這項發表的說法，擊敗愛因斯坦理論的難度又提高了500倍。而我們知道，儘管愛因斯坦的理論如此成功，但在數學上，它仍然與量子力學——我們對次原子世界的科學理解——不相容。檢驗廣義相對論很重要，原因是，宇宙的終極理論必須同時包含重力和量子力學。
本論文的第一作者，曾擔任事件視界望遠鏡團隊的計畫科學家、美國亞利桑那大學天文學教授Dimitrios Psaltis說：「我們期望一個完整的重力理論，它，可能與廣義相對論不同，但有多種方法可以修改。在這次結果中我們發現，無論那個正確的理論是什麼，當涉及對象為黑洞時，都不可能與廣義相對論有顯著不同。我們真的壓縮了修改重力理論的可能空間。」
用宇宙學、太陽系和黑洞的檢驗來探究不同強度的重力場。
重力場強度由左向右遞增，黑洞的重力場強度最強
圖像版權：D. Psaltis, Univ. Arizona; NASA/WMAP; ESA/Cassini；EHT 團隊「這是利用超大質量黑洞來測試廣義相對論的一種全新方法。」中研院天文所副研究員淺田圭一表示，他也是電波觀測專家、事件視界望遠鏡科學委員會成員之一。
執行測試時，研究人員使用了去年EHT取得的第一張黑洞圖像，即位於M87星系中心的超大質量黑洞圖像。初步結果表明，黑洞暗影的大小與廣義相對論預測大小一致。
圖二：不同於廣義相對論而經過修正之重力理論，其對於M87暗影尺寸的預測可用新開發的檢驗規範來檢驗。
圖像版權：M. Wielgus, D. Pesce & the EHT Collaboration
亞利桑那大學的史都華理論學者Pierre Christian表示，「之前我們還無法提出相對的問題：『究竟一個重力理論能與廣義相對論有多大的差異，卻仍還能與黑洞暗影的大小一致？ 』我們想知道，是否可以利用這些觀測結果來篩除一部份選擇。」
重力理論的獨特特徵是決定黑洞暗影大小的關鍵，為了確定那些特徵是什麼，研究團隊對廣義相對論的許多修正方法做了廣泛分析。
「這樣，我們就可以確定廣義相對論的任何一種替代方案是否都與事件視界望遠鏡的觀測結果一致，而不必擔心任何其他細節，」普林斯頓高等研究院的Lia Medeiros博士表示。
該團隊將他們的注意力集中在一系列先前在太陽系已通過所有測試的備選方法上。結果，事件視界望遠鏡計畫資深成員、美國亞利桑那大學天文學教授Feryal Ozel表示，使用他們所開發的規範，再藉由測量黑洞暗影的大小，讓他們發現到，相較於以前對太陽系的測試：「這可以把愛因斯坦廣義相對論的可修正空間縮小近500倍。」「許多修正廣義相對論的方法，在這嶄新而更嚴格的黑洞暗影測試中，沒有通過。」
「黑洞圖像已為檢驗愛因斯坦的廣義相對論提供了一個全新的角度，」馬克斯普朗克電波天文學研究所所長、也是EHT合作成員的Michael Kramer說。
論文第一作者Psaltis表示，這與重力波觀測一起標誌著黑洞天文物理學新時代的開始。
目前，對重力理論的測試是個正在進行的議題：廣義相對論對各種天體的預測是否足以完美到讓天文物理學家不必擔心任何對相對論可能的差異或修正?
Ozel進一步解釋，「人們一直說，廣義相對論以優異的成績通過了所有的測試——這是真的，所有做過的測試還沒有發現任何結果與廣義相對論預測有所出入。但我們想說的是，雖然所有這些都是正確的，但我們第一次有了一個不同的規範，讓我們可以做一個好500倍的檢驗，這個規範就是黑洞的暗影大小。」
接下來，EHT團隊預計利用擴大的望遠鏡陣列，捕捉到更高畫質的影像。擴大的望遠鏡陣列將包括格陵蘭望遠鏡、位於美國亞利桑那州凱特峰的12米望遠鏡、法國的IRAM NOEMA天文臺等。
Ozel說：「當取得銀河系中心黑洞圖像時，將可以對廣義相對論的偏差做進一步的約束。」
到時候，愛因斯坦仍會是對的嗎？拭目以待。
論文 "Gravitational Test Beyond the First Post-Newtonian Order with the Shadow of the M87 Black Hole", Dimitrios Psaltis 等著，2020年10月1日於PHYSICAL REVIEW LETTERS 發表
本文中的中英名詞對照
黑洞暗影：Black Hole Shadow
次原子：subatomic
格陵蘭望遠鏡－GLT 網址：http://vlbi.asiaa.sinica.edu.tw/project.php
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原文：EHT新聞稿