DDS009-「愛因斯坦又對了！」

今年 4 月 26 日著名的「科學（Science）」期刊，刊載了一篇由 Antoniadis 領銜發表的，有關光線（light）〔註：嚴格說來，是一種無線電波（radio wave) 幅射出的重力波（gravitational wave）〕在「雙脈衝星系（pulsar binary system）」重力牽引下，其行進路徑被偏折（bent）的論文（Reference：Science, 340 (6131), 1233232 DOI: 10.1126/science.1233232 ），緊接著各相關媒體和科普雜誌，紛紛以「愛因斯坦」的「一般相對論」又「贏了」、又「被證實了」、又「通過了嚴苛的考驗」等顯著標題，報導此一重大的研究成果。甚至有一報導在「愛因斯坦」照片的下方，以紅底白色的斗大字體加註「聽從、遵守（obey）」，來彰顯此發現，對「愛因斯坦一般相對論」的至高肯定（見下圖； from: http://scienceblogs.com/startswithabang/files/2013/05/Einstein_Obey.jpeg ）。

依照「愛因斯坦 」1916 年發表的「一般相對論（General Relativity）」的說法，當任一星體（含質量和能量）呈現在宇宙間，都會引起其周遭時空的「曲伏變形（curvature of spacetime）」，我們日常所習知的「重力（gravity）」，只是這種時空曲伏的結果，而且質量愈大，其「時空結構的曲伏變形」也愈大、所引發的重力也愈大。下圖（credit: Mark Garlick / SPL）即是以我們的地球和月球為例，由於兩者質量大小的差異，所引發的「時空結構曲伏」（以方格線表之）不同，導致地表上的重力較月表之重力為大（6 倍）。

事實上，早在 1916 年「愛因斯坦」發表其「一般相對論」時，即以「水星（Mercury）」繞日運行時，所被觀測到的極小「退滑（backslide）」現象，來印證其理論之正確性。在 1919 年時，更有一系列天文觀測的結果〔註：例如藉由日蝕（solar eclipse）時，遠方恆星其表觀（apparent）位置和實際位置的差異〕，和「一般相對論」所推論和預測的結果，完全相符、毫髮無誤，也進一步證實了「一般相對論」的正確性。同理，在「時空結構曲伏」的影響下，以光線（light）而言，當其在宇宙間自由穿梭行進時，其原本以直線行進的路徑，也會因而變得彎曲偏離（bent），這種現象，在天文學上稱之為「重力透鏡（gravitational lensing）」效應。下圖（credit: NASA/JPL-Caltech）為藝術家筆下所描繪，由「刻卜勒太空望遠鏡（Kepler space telescope）」，拍攝到此效應之情形。圖中小白球為一「白矮星（white dwarf）」，而後面大紅色的為一「紅矮星（red dwarf）」，此「白矮星」的質量約等同於我們的太陽，但它的大小卻只有地球這麼大，由於其強大重力的影響，反而使得體積較大、質量較小的「紅矮星」繞其運轉。此圖描繪的即是，當「紅矮星」繞行至「白矮星」後方時，其散射出來的光線，因受「白矮星」重力之影響而呈現彎曲的現象。

雖然在過去這近一世紀以來，「一般相對論」都能過關斬將、屢試不爽地成功通過重重考驗，但在其他更複雜的情況下〔例如雙偶星系（binary system）及黑洞（black hole）〕，這「一般相對論」的解釋還能繼續適用嗎？為此，Antoniadis 等人以現今離我們地球約 7000 光年的一對，由「白矮星（white dwarf）」和「脈衝星（pulsar）」組成的「雙偶星系（binary system），做為再次檢驗「愛因斯坦」「一般相對論」的絶好機會。此「雙偶星系」中的「脈衝星」和「白矮星」相距為 830,000 公里，下圖即為畫家筆下此「雙偶星系」之示意圖（credit: ESO/L. Calçada），其中大小白色球分別代表「白矮星」和「脈衝星」，白色光線代表「脈衝星」所釋放出來的無線電波，注意其藍色背景突顯的就是，由於它們的存在，所造成的「時空曲伏」現象。。此「脈衝星」，為「超級新星爆炸（supernova explosion）」後的殘留物，代號為 PSR J0348+0432，以每秒 25 轉的轉速自轉（比你家用的果菜攪拌機還快！），而「白矮星」以每小時 2百萬公里的速度，繞行「脈衝星」一周只需 2.5 小時。

另外，此「脈衝星」直徑只有 20 公里，但其質量卻足足有我們太陽的兩倍，為目前我們所知質量最大的「脈衝星」，其表面重力因而約為我們地表的 3000 億倍，也就是說，在此「脈衝星」的中心，一個有如「方糖」體積大小的質量，可達 10 億噸重。由於此「雙偶星系」不斷地釋放出「重力波（gravitational waves）」，其總能量隨時間逐漸衰減，使得彼此繞行的速度愈來愈快，且彼此間的距離愈來愈縮短。依「一般相對論」之計算，其周期每年應縮短八百萬分之一秒。Antoniadis 等人，利用地表上之「無線電望遠鏡（radio telescope）」觀測此極度微小的時差，結果顯示，完全和「一般相對論」所預期的結果相脗合，也就是說，「愛因斯坦」的「一般相對論」又再度通過了一次更嚴峻的檢驗。

然而，事情還是沒完沒了，雖然「一般相對論」又再次通過上述「雙偶星系」的嚴苛檢驗，科學家們還是「不信邪」，總想繼續挑戰「一般相對論」的極限。果不其然，機會又來了，因為去年 10 月的科學期刊（Science）發表了一篇論文（Science 338, 84 (2012) DOI: 10.1126/science. 1225506），發現在我們銀河系（our Milk Way galaxy）中心的一個超巨大的「黑洞」（super-massive black hole）外圍，有一對恆星（代號分別為 S0-102 和 S-02）環繞。此「黑洞」名為 Sagittarius A* ，離地球約 2 萬 6 千光年遠，其質量為太陽的 4 百萬倍，但其大小只是太陽的 10 倍。此二恆星環繞此超巨大「黑洞」運行之周期分別為11.2 年（S0-102）和 16 年（S-02）。依估算，「S-02 恆星」，將於五年後（2018年時），繞行至與此「黑洞」的最近位置，科學家希望屆時利用此難得之機會，再度測試此超巨大「黑洞」的重力〔註：約為水星（Mecury；太陽系中最接近太陽的行星）受太陽引力的 100 倍〕，如何影響此二恆星繞行的軌道，因為依「愛因斯坦」的「一般相對論」，此二恆星每繞行一周，其軌道受此巨大黑洞重力之影響，應略為偏移，最後造成有如菊花瓣之圖形（daisy-petal pattern），屆時的結果如何，就讓我們屏息以待吧！