百年广义相对论再获验证! 迄今最精准太阳光谱测量，指示引力红移效应

广义相对论由著名物理学家阿尔伯特爱因斯坦于 1916 年最终创立，认为质量巨大的物体会造成时空扭曲，进而形成我们所熟知的 “引力”，比如，如果把太阳系比作一个平面，太阳所造成的时空扭曲就好比是在一张四个角被拉住、悬在空中的桌布中心放置一个篮球，致使桌布中心下陷，而太阳系内的行星则好比是在这张桌布上，按离凹陷中心的距离沿一些设计好的圆周运动轨迹的切线发射一些带质量的小球，这些小球在发射后便会绕凹陷中心进行圆周运动（这里桌布的例子只是一个类比，实际的行星运动轨迹并非圆周，而由于太阳系本身也是在运动的，所以太阳系内的天体大都以一种“类螺旋” 的方式在空间中运动）。

图 | 广义相对论空间扭曲产生引力的艺术假想图。（图源：IAC）

爱因斯坦在广义相对论中预言，如果物体的质量足够巨大，那哪怕是光线也会在经过其时因严重的时空扭曲而被扭曲光路，而如果真是这样，我们在地球上便能观测到所谓的 “爱因斯坦交叉（Einstein Cross）” 现象，该现象是引力透镜效应的代表性观测之一，其实就是距离我们十分遥远的星系所发出的光线，因传播路径上的时空扭曲而被扭曲，导致我们在地球上能观测到 4 个不同的、该星系的图像。

而除了天体运动和爱因斯坦交叉现象，广义相对论其它广为人知的观测证据还有由太阳四周的时空扭曲所造成的水星轨道的变化（水星进动），以及一种被称作 “引力红移” 的现象，指的是太阳所发出光线的光谱因受太阳引力影响而往红光及红外位置移动（波长变长）。

引力红移效应对天文观测和导航系统的影响巨大，如果不将其纳入计算，卫星导航系统（如 GPS）很可能就会因计算出错而无法为地面人员提供可靠的服务，但尽管如此，学界对 “我们是否真能从太阳的光谱分析中发现引力红移” 这一问题还一直没有定论。根据爱因斯坦于 1920 年做出的理论预期，太阳光谱中的红移仅约为红光波长的百万分之二，这对现代天文学家们来说也是一个十分 “头疼” 的精度，但根据一篇近日发表在《天文及天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）上的研究，加拿大的一组研究人员再一次刷新了太阳光谱引力红移效应的测量精度，认为太阳光谱中的引力红移效应确实存在，在结果上再一次验证了广义相对论。

此次的研究结果主要由高精度径速搜寻器（HARPS，High Accuracy Radial-velocity Planet Searcher）对从月球反射到地球的太阳光分析获得。该搜寻器于 2002 年被安装在欧洲南方天文台（ESO）位于智利的，口径为 3.6 米的一台望远镜上。HARPS 的主体被放置在一个真空容器中（能避免由温度和气压变化导致的测量误差），内置两根光纤，一根用于收集所观测到的星光，一根用于记录观测处的光谱信息，是目前欧洲南方天文台精度最高的行星搜寻用光谱仪。

论文作者，加拿大 Instituto de Astrofísica de Canarias（IAC，一个天文研究机构）研究员，Jonay González Hernández 说：“通过将 HARPS 的精度和激光频率梳用于太阳的光谱分析，我们已能高精度地测量太阳光谱中‘铁元素’的光谱线，并以‘每秒个位数米’的精度验证引力红移效应。”

论文共同作者，IAC 主管 Rafael Rebolo 说：“虽然此次的研究已是当前这一课题内的最高精度，但如果我们能将 HARPS 用在欧洲南方天文台更大口径的望远镜上（如 V LT），精度应该能比现在有进一步提升。”

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参考：

https://phys.org/news/2020-10-solar-spectrum-einstein-theory-relativity.html

http://www.eso.org/sci/facilities/lasilla/instruments/harps/overview.html