李正禾，蔣騰慶

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100)

1 相對(duì)論天體物理學(xué)的學(xué)科架構(gòu)

天體物理學(xué)是天文學(xué)的一個(gè)分支，天體物理學(xué)運(yùn)用物理學(xué)規(guī)律來(lái)研究天體的物理學(xué)性質(zhì)，其中的天體可以包含行星、星系、黑洞乃至宇宙等各種天體[1-2]。

天體物理學(xué)將物理學(xué)史中形成的不同分支運(yùn)用到天文學(xué)中，形成許多天體物理學(xué)分支。研究相對(duì)論相關(guān)問(wèn)題的天體物理學(xué)為相對(duì)論天體物理學(xué)，研究粒子物理為主要目標(biāo)的方向稱(chēng)為粒子天體物理學(xué)，研究原子核物理的分枝被稱(chēng)為核天體物理。相對(duì)論天體物理學(xué)的發(fā)展是因?yàn)樵S多相對(duì)論所預(yù)言的現(xiàn)象或過(guò)程首先在天體上觀(guān)察到和得到證實(shí)。

2 理論物理史中的相對(duì)論

2.1 近代物理學(xué)的狹義相對(duì)論

相對(duì)論包含狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。一九零五年，愛(ài)因斯坦提出了狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)。對(duì)狹義相對(duì)論作出學(xué)科貢獻(xiàn)的，還有邁克爾遜、洛倫茲、龐加萊、麥克斯韋等物理學(xué)家。麥克斯韋的場(chǎng)方程基本與狹義相對(duì)論方程等效。

對(duì)于狹義相對(duì)論的物理貢獻(xiàn)，龐加萊印證了相對(duì)性原理的數(shù)論空間，并提出了基本的物理相對(duì)性原理。因此，在龐加萊和愛(ài)因斯坦之間在科學(xué)史上存在一定的爭(zhēng)論。但是，愛(ài)因斯坦之所以在狹義相對(duì)論方面的工作成為科學(xué)史中相對(duì)論的中心并為后人所知，很大程度上是由于愛(ài)因斯坦對(duì)狹義相對(duì)論方程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并用最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)。

2.2 狹義相對(duì)論基本原理

相對(duì)性原理(The principle of relativity)。愛(ài)因斯坦定義相對(duì)論為物理定律在一切慣性參考系中都有相同的形式[3]。這個(gè)定義在近代時(shí)期伽利略坐標(biāo)變換和慣性系中已經(jīng)有所運(yùn)用。不過(guò)，在伽利略在坐標(biāo)變換和慣性系的運(yùn)用中時(shí)間與空間是完全隔離開(kāi)來(lái)的。愛(ài)因斯坦則將時(shí)間與空間架構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體，在數(shù)論上運(yùn)用洛倫茲坐標(biāo)變換來(lái)描述，形成統(tǒng)一的時(shí)空結(jié)構(gòu)。

光速不變性原理(The constancy of speed of light in vacuum)。在任何慣性參照系中，真空中的光速都是一個(gè)常數(shù)[4]，這樣一個(gè)速度成為自然界速度的上限。歐洲核子研究組織(CERN)曾在二零一二年時(shí)，提出中微子速度超越光速的實(shí)驗(yàn)物理結(jié)論，這對(duì)物理學(xué)的理論基石具有極大的沖擊。不過(guò)，后來(lái)證實(shí)得出中微子超越光速的實(shí)驗(yàn)物理結(jié)論是由于強(qiáng)穿透性的中微子將高能粒子加速器的橫截面探測(cè)器(cross-sectional calorimeter)的材料面擊穿導(dǎo)致。

狹義相對(duì)論在物體接近光速的高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，相對(duì)論的物理效應(yīng)(動(dòng)鐘延緩、動(dòng)尺縮短、質(zhì)量增大)才會(huì)顯著。在嚴(yán)格意義上，研究動(dòng)鐘延緩理論是運(yùn)用洛倫茲坐標(biāo)變換來(lái)擬合光速不變的原理。

圖1 加速環(huán)中Muon介子衰變模型

早在上個(gè)世紀(jì)，動(dòng)鐘延緩效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室中得到較好的檢驗(yàn)。典型的實(shí)驗(yàn)案例，就是高能粒子加速環(huán)中的Muon Decay。Muon介子釋放出Muon中微子后變成Muon W玻色子，Muon W玻色子衰變?yōu)檎娮?、反電子中微子和Muon中微子。在靜止的參考系下，Muon Decay的衰變周期為2.197微秒，衰變的周期十分短暫。

當(dāng)高能粒子加速器在儲(chǔ)存環(huán)中將Muon粒子加速至0.9999倍的近光速，實(shí)驗(yàn)測(cè)量粒子衰變時(shí)間延長(zhǎng)至原來(lái)的兩百倍。這是狹義相對(duì)論的動(dòng)鐘延緩效應(yīng)發(fā)揮的作用。

圖2 狹義相對(duì)論的尺縮效應(yīng)模型

洛倫茲坐標(biāo)變換在相對(duì)論中的一般形式。從狹義相對(duì)論，可以推導(dǎo)出自由粒子的能量為

自由粒子的速度為

空間中的速度四矢量可以用時(shí)間和空間方向上的微分方程表達(dá)為

2.3 狹義相對(duì)論的時(shí)空關(guān)系

在求解狹義相對(duì)論時(shí)，一種方式是通過(guò)嚴(yán)格的洛倫茲坐標(biāo)變換來(lái)做，另一種方式是四矢量，在粒子碰撞過(guò)程中，四矢量滿(mǎn)足標(biāo)度不變，四矢度的縮并就是光速的平方。

一個(gè)靜止電子的彈性散射，滿(mǎn)足能量守恒和動(dòng)量守恒，在初始時(shí)刻光子的矢動(dòng)量加上電子的矢動(dòng)量相等得出。如果入射光子的能量并不是很高，電子的能量和洛倫茲因子非常高，得到最后光子獲得的能量。低能量的光子經(jīng)過(guò)高能量的電子氣體之后會(huì)額外獲取能量。

在天文學(xué)中，微波光子經(jīng)過(guò)星系團(tuán)這樣一個(gè)尺度的熱氣團(tuán)，微波光子會(huì)被高溫的等離子體氣體不斷地反射使得微波光子獲得額外的能量。天體物理學(xué)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)認(rèn)為，微波背景輻射在這樣一個(gè)星系團(tuán)的方向上，微波背景不斷減少，等離子體溫度會(huì)降低。取散射的低能電子進(jìn)入初始坐標(biāo)系，經(jīng)過(guò)兩次洛倫茲坐標(biāo)變換，將觀(guān)測(cè)的坐標(biāo)系變換到與高速運(yùn)行的電子同位的角度。

狹義相對(duì)論在科學(xué)史上取得巨大的成功，相對(duì)于伽利略傳統(tǒng)坐標(biāo)系而言，時(shí)間與空間形成了統(tǒng)一的整體，時(shí)空性質(zhì)和物體運(yùn)動(dòng)是緊密聯(lián)系的。狹義相對(duì)論證明了高速運(yùn)動(dòng)下的物體動(dòng)鐘延緩、動(dòng)尺縮短、質(zhì)量增大的變化，所有的慣性系是平權(quán)的。

相對(duì)論推導(dǎo)出的粒子質(zhì)能方程，在氫彈核武器投入實(shí)驗(yàn)和戰(zhàn)爭(zhēng)中顯現(xiàn)出了巨大的威力。正如愛(ài)因斯坦所說(shuō)[5]：“純科學(xué)不僅是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的源泉?！?/p>

狹義相對(duì)論也給出過(guò)荒謬的預(yù)言，比如孿生子悖論(Twin paradox)。狹義相對(duì)論存在的前提是物體慣性系，在無(wú)引力作用和勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的條件下物體運(yùn)動(dòng)處于慣性系中。航天飛行器在離開(kāi)地球后折返，必經(jīng)歷了加速和減速的過(guò)程，因此會(huì)偏離慣性，在此狹義相對(duì)論無(wú)法解釋。愛(ài)因斯坦為解決這個(gè)慣性系理論問(wèn)題，創(chuàng)立廣義相對(duì)論擴(kuò)充物體運(yùn)動(dòng)到非慣性系中。

2.4 廣義相對(duì)論基本原理

廣義相對(duì)論是建立在等效原理和廣義協(xié)變要求基礎(chǔ)上的引力理論和宏觀(guān)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)理論。一九零七年愛(ài)因斯塔提出假想的電梯實(shí)驗(yàn)，有一個(gè)關(guān)鍵的洞見(jiàn)：墜落的觀(guān)測(cè)者不會(huì)經(jīng)歷重力，他形容這是“我一生中最幸福的想法”[6]，這一見(jiàn)解促使愛(ài)因斯坦提出了等效原理。引力等效原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量等效。局部的慣性系與自由下落的引力場(chǎng)的坐標(biāo)系無(wú)法區(qū)分，愛(ài)因斯坦用他著名的假想的電梯實(shí)驗(yàn)解釋這一點(diǎn)。

慣性質(zhì)量從牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律引入，對(duì)物體施加力的作用，會(huì)使得物體偏離其相對(duì)靜止位置作慣性運(yùn)動(dòng)，物體的慣性質(zhì)量越大，偏離的難度就越困難。因此，物體的質(zhì)量與慣性直接相關(guān)。

愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中提出假想電梯實(shí)驗(yàn)，假設(shè)兩種情況。一種情況電梯靜止在引力場(chǎng)中，人處在其中的感受與電梯向上作勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)是等同的；另一種情況電梯在引力場(chǎng)中作自由落體運(yùn)動(dòng)，人處在其中的感受是遠(yuǎn)離引力源時(shí)相對(duì)靜止是等同的。從而，愛(ài)因斯坦在一九零七年給出引力質(zhì)量等于慣性質(zhì)量的等效結(jié)論。

廣義相對(duì)論的協(xié)變?cè)?The Principle of covariance)物理定律的形式在一切參考系下都是不變的。牛頓在蘋(píng)果砸到頭上提出萬(wàn)有引力定律之后，日常生活中人們常忽視的引力，開(kāi)始在天文學(xué)揭示天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)揮巨大的作用。在牛頓的經(jīng)典力學(xué)體系下，蘋(píng)果能夠掉落地面是由于受到地球?qū)ξ矬w的引力導(dǎo)致，繞地球軌道運(yùn)動(dòng)的航天飛行器能夠處于受力平衡狀態(tài)是由于引力提供向心力。愛(ài)因斯坦則引入時(shí)空彎曲取代了引力的概念。時(shí)空是動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，隨著物體質(zhì)量的增加，空間的扭曲也隨之增加。

2.5 廣義相對(duì)論的時(shí)空彎曲

行星環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行受到中心天體引力作用偏離慣性運(yùn)動(dòng)，沿著測(cè)地線(xiàn)(Geodesic line)形成了橢圓形的軌道。愛(ài)因斯坦用時(shí)空彎曲取代了引力場(chǎng)，從而揭示了實(shí)驗(yàn)粒子和光子乃至天體在彎曲時(shí)空中沿著測(cè)地線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的奧秘。

歐氏幾何是研究平直的平面空間的幾何學(xué)，可建立統(tǒng)一的直線(xiàn)坐標(biāo)系，矢量具有確定的大小和方向，可以在任意位置定義。黎曼幾何是研究彎曲空間的幾何學(xué)，在彎曲空間中研究物理規(guī)律也必須建立坐標(biāo)系，在某一點(diǎn)建立坐標(biāo)系研究在點(diǎn)位區(qū)域的標(biāo)量、矢量和張量。矢量的范數(shù)為

矢量線(xiàn)元如果時(shí)空中的任意矢量滿(mǎn)足A’2>0，則此空間稱(chēng)為本征歐氏空間，否則稱(chēng)為非本征歐氏空間。

引入時(shí)空線(xiàn)元之后，ds'2>0對(duì)應(yīng)的是類(lèi)時(shí)的時(shí)空，ds'2>0對(duì)應(yīng)的是類(lèi)空的時(shí)空。在ds'2=0為坐標(biāo)軸的平面作出光速的圓錐面。愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論就引入這樣的時(shí)空線(xiàn)元來(lái)描述空間的幾何關(guān)系。

圖3 廣義相對(duì)論時(shí)空線(xiàn)元的光速圓錐面模型

愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程可以用愛(ài)因斯坦張量減去黎曼張量來(lái)表示為

愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程描述的是時(shí)空張量的幾何關(guān)系，Tuv對(duì)應(yīng)的是描述物質(zhì)在時(shí)空中分布的能動(dòng)張量。愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程告訴我們，時(shí)空是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，時(shí)空與內(nèi)部存在的物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)緊密相聯(lián)。

廣義相對(duì)論是一個(gè)非常成功的理論，愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程將物體運(yùn)動(dòng)與時(shí)空擬合在一起。同時(shí)，廣義相對(duì)論具有理論的包容性，把牛頓經(jīng)典理論和狹義相對(duì)論作為極限或特例包容在其中。在弱場(chǎng)近似下場(chǎng)方程可以退化到牛頓的引力Poisson方程。

愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程預(yù)言了牛頓引力所無(wú)法預(yù)言的自然現(xiàn)象，如天文觀(guān)測(cè)中光線(xiàn)經(jīng)過(guò)太陽(yáng)發(fā)生偏折、PSR由于引力波輻射導(dǎo)致軌道偏差等天文學(xué)問(wèn)題。

2.6 廣義相對(duì)論的空間衛(wèi)星校準(zhǔn)

GPS (Global Positioning System)衛(wèi)星在空間軌道上相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)速度較快，狹義相對(duì)論知GPS衛(wèi)星相對(duì)于地面存在動(dòng)鐘延緩效應(yīng)。GPS衛(wèi)星在空間軌道相對(duì)地面而言，速度更快，因而存在一定的動(dòng)鐘延緩效應(yīng)。GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)至地面進(jìn)行授時(shí)，在地面的引力場(chǎng)強(qiáng)，在空間中的引力場(chǎng)弱，因而GPS信號(hào)在空間傳輸至地面過(guò)程中發(fā)生延緩。

GPS衛(wèi)星時(shí)間相對(duì)于地球每天延緩約70微秒。GPS對(duì)地面接收站發(fā)送授時(shí)信息，從引力場(chǎng)弱的宇宙空間到引力場(chǎng)強(qiáng)的地球表面，引力場(chǎng)強(qiáng)的地面導(dǎo)致GPS時(shí)鐘延緩約45微秒。因此，必須計(jì)算出一個(gè)校正系數(shù)，該系數(shù)可以有效地使時(shí)鐘每天倒轉(zhuǎn)38微秒，以產(chǎn)生準(zhǔn)確的GPS數(shù)據(jù)。這也是廣義相對(duì)論所預(yù)言的時(shí)空延緩在空間探測(cè)中實(shí)際遇到的問(wèn)題。

廣義相對(duì)論引力半徑的引入，地球的引力是一個(gè)球形對(duì)稱(chēng)的引力，引力半徑引入來(lái)判斷物質(zhì)逃逸處行星表面所需要的能量，物質(zhì)的動(dòng)能大于勢(shì)能時(shí)，物質(zhì)才能逃逸處行星的引力環(huán)境。

在判斷天體的表面引力勢(shì)大小和引力半徑，需要考慮到廣義相對(duì)論修正。

3 相對(duì)論與天體物理學(xué)的關(guān)系

天體運(yùn)行的環(huán)境為相對(duì)論效應(yīng)的研究提供了許多的場(chǎng)所，包括致密星系、引力波天文學(xué)、相對(duì)論宇宙學(xué)、相對(duì)論天體力學(xué)等，這都是相對(duì)論天體物理學(xué)研究的范疇。

宇宙是一百三十七億年前大爆炸產(chǎn)生，從現(xiàn)在往前看，大約在四十五億年宇宙經(jīng)歷了由減速膨脹到加速膨脹的過(guò)程，對(duì)于暗能量的探測(cè)，利用微波背景輻射、引力波以及聲波探測(cè)均指向相同的結(jié)果。天文學(xué)家預(yù)測(cè)宇宙膨脹是暗能量起作用的過(guò)程，這都是我們現(xiàn)在十分感興趣的天文學(xué)問(wèn)題。

中子星、黑洞甚至宇宙等超質(zhì)量天體都需要考慮到相對(duì)論效應(yīng)。雙星繞轉(zhuǎn)系統(tǒng)也是需要考慮相對(duì)論效應(yīng)，繞轉(zhuǎn)平衡的結(jié)構(gòu)可以等效為兩個(gè)天體的引力能和軌道的動(dòng)能相當(dāng)。如果系統(tǒng)運(yùn)行的速度很低，則用經(jīng)典牛頓力學(xué)體系和經(jīng)典天體物理學(xué)可以來(lái)描述，如果，繞轉(zhuǎn)系統(tǒng)的雙星之間距離很近、強(qiáng)引力場(chǎng)或者繞轉(zhuǎn)速度很快，則要引入相對(duì)論天體力學(xué)。中國(guó)目前也在大力發(fā)展空間科學(xué)和航天飛行項(xiàng)目，對(duì)于天體物理學(xué)的精度也是越來(lái)越強(qiáng)，相對(duì)論對(duì)于高能環(huán)境下的天體物理學(xué)研究的重要性也日益顯示出來(lái)。

3.1 相對(duì)論與天體物理學(xué)的關(guān)系

天體運(yùn)行的環(huán)境為相對(duì)論效應(yīng)的研究提供了許多的場(chǎng)所，包括致密星系、引力波天文學(xué)、相對(duì)論宇宙學(xué)、相對(duì)論天體力學(xué)等，這都是相對(duì)論天體物理學(xué)研究的范疇。

宇宙是一百三十七億年前大爆炸產(chǎn)生，從現(xiàn)在往前看，大約在四十五億年宇宙經(jīng)歷了由減速膨脹到加速膨脹的過(guò)程，對(duì)于暗能量的探測(cè)，利用微波背景輻射、引力波以及聲波探測(cè)均指向相同的結(jié)果。天文學(xué)家預(yù)測(cè)宇宙膨脹是暗能量起作用的過(guò)程，這都是我們現(xiàn)在十分感興趣的天文學(xué)問(wèn)題。

中子星、黑洞甚至宇宙等超質(zhì)量天體都需要考慮到相對(duì)論效應(yīng)。雙星繞轉(zhuǎn)系統(tǒng)也是需要考慮相對(duì)論效應(yīng)，繞轉(zhuǎn)平衡的結(jié)構(gòu)可以等效為兩個(gè)天體的引力能和軌道的動(dòng)能相當(dāng)。如果系統(tǒng)運(yùn)行的速度很低，則用經(jīng)典牛頓力學(xué)體系和經(jīng)典天體物理學(xué)可以來(lái)描述，如果，繞轉(zhuǎn)系統(tǒng)的雙星之間距離很近、強(qiáng)引力場(chǎng)或者繞轉(zhuǎn)速度很快，則要引入相對(duì)論天體力學(xué)。中國(guó)目前也在大力發(fā)展空間科學(xué)和航天飛行項(xiàng)目，對(duì)于天體物理學(xué)的精度也是越來(lái)越強(qiáng)，相對(duì)論對(duì)于高能環(huán)境下的天體物理學(xué)研究的重要性也日益顯示出來(lái)。

3.2 相對(duì)論天體物理學(xué)的黑洞研究

黑洞是完全由引力占主導(dǎo)的天體，無(wú)量綱引力半徑為1。黑洞的結(jié)構(gòu)比基本粒子(Elementary particle)還要簡(jiǎn)單，經(jīng)典黑洞在形成過(guò)程會(huì)產(chǎn)生引力波輻射，并喪失自身的所有信息。黑洞不保持形成它的物質(zhì)所具有的任何復(fù)雜性質(zhì)[7-8]，它保持的物理參數(shù)僅剩下質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷，這是黑洞的無(wú)毛定理(No-hair theorem)。

它保持的物質(zhì)參數(shù)只有質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷。按照其物理參數(shù)劃分，黑洞被分為史瓦西、雷斯勒-諾斯特朗姆、克爾、克爾-紐曼黑洞。天文學(xué)家一般研究的黑洞是史瓦西黑洞和克爾黑洞。

黑洞的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，它有一個(gè)中心的奇點(diǎn)和矢界面，在矢界面外面還有一個(gè)光層，幾乎所有的物理規(guī)律在黑洞的中心奇點(diǎn)都會(huì)失效。黑洞外層還會(huì)形成一個(gè)潮汐力很強(qiáng)的吸積盤(pán)。

天文觀(guān)測(cè)到黑洞附近的吸積盤(pán)(accretion flows)，尤其是吸積盤(pán)十分接近黑洞的史瓦西半徑時(shí)，就需要考慮到相對(duì)論效應(yīng)的修正。

一九七二年的時(shí)候，霍金就論證了黑洞的面積不減的定律[9]，黑洞的面積和黑洞的熱力學(xué)熵相互聯(lián)系，黑洞的面積可以用黑洞的質(zhì)量、電荷和角動(dòng)量來(lái)表示。

黑洞實(shí)際上是宇宙空間中能源轉(zhuǎn)化十分高效的區(qū)域，通過(guò)調(diào)節(jié)黑洞的電荷和角動(dòng)量，黑洞的質(zhì)量減少而從黑洞中攝取能量，黑洞或許會(huì)成為未來(lái)太空旅行中的加油站。

天文學(xué)家就曾設(shè)想過(guò)，快速旋轉(zhuǎn)的克爾黑洞可以形成能量循環(huán)的生態(tài)城市的能源來(lái)源。將生活垃圾傾倒入黑洞的能量層中，從能量層中逃逸出的能量為城市提供額外的能量供應(yīng)，克爾黑洞成為一種生態(tài)型的能源供給源。

研究表明，黑洞表面的矢界面存在固定值的電阻。黑洞并非孤立的存在，黑洞的存在必然伴隨著吸積效應(yīng)，吸積的星際物質(zhì)一般溫度較高，通常是以等離子體的形式存在，等離子體具有磁凍結(jié)效應(yīng)，等離子體將磁場(chǎng)拽到黑洞邊緣，并在黑洞的附近形成極強(qiáng)的磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)并帶有一定電阻的黑洞轉(zhuǎn)子和凍結(jié)在吸積氣體內(nèi)部的磁場(chǎng)形成高效率的導(dǎo)電回路。

旋轉(zhuǎn)黑洞形成的導(dǎo)電回路能夠?qū)⒛芰枯椛涑鋈?，一部分能量?lái)自中心天體旋轉(zhuǎn)的能量，一部分來(lái)自于吸積盤(pán)的能量，這種機(jī)制被稱(chēng)為Blandford-Znajek Effect。天文臺(tái)在天體環(huán)境中觀(guān)測(cè)到許多類(lèi)似高效的發(fā)電機(jī)制將引力能釋放轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的天體噴流現(xiàn)象。

黑洞與天文學(xué)中許多高能物理現(xiàn)象有關(guān)，黑洞是時(shí)空中無(wú)限深度的引力勢(shì)井，黑洞可以高效地提取吸積物質(zhì)的質(zhì)能。在天體物理觀(guān)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)區(qū)域的能量嚴(yán)重短缺，天文學(xué)家第一直覺(jué)就是出現(xiàn)了黑洞。天文臺(tái)借助紅外波段的射電波段干涉來(lái)觀(guān)測(cè)黑洞的結(jié)構(gòu)和熱斑。

克爾黑洞的成像研究直到上個(gè)世紀(jì)九十年代有所進(jìn)展，我們可以通過(guò)觀(guān)測(cè)黑洞吸積盤(pán)中釋放物質(zhì)的譜線(xiàn)輪廓來(lái)研究黑洞的特征。通過(guò)多普勒頻移效應(yīng)可以定出黑洞旋轉(zhuǎn)的角動(dòng)量和傾角。利用地面和空間的射電望遠(yuǎn)鏡的強(qiáng)干涉獲取黑洞的高分辨率圖像，從而研究銀河系邊緣的黑洞行為。

3.3 相對(duì)論天體物理學(xué)的引力波研究

引力波天文學(xué)可以檢驗(yàn)廣義相對(duì)論天體物理學(xué)的準(zhǔn)確性。愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)了引力波的存在，愛(ài)因斯坦雖然給出了引力波方程的形式，但是從引力波理論從實(shí)驗(yàn)上無(wú)法證實(shí)引力波的存在。銀河系中心出現(xiàn)中子星大小的天體掉入黑洞中，會(huì)出現(xiàn)引力波輻射導(dǎo)致時(shí)空的彎曲，時(shí)空的長(zhǎng)度出現(xiàn)微小的波動(dòng)。

二零一三年，澳大利亞?wèn)|部的Parkes 射電望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)到中子星構(gòu)成的雙脈沖星，不斷以引力波輻射的形式對(duì)外輻射能量。預(yù)測(cè)八千五百萬(wàn)年后，兩顆雙子星合并，產(chǎn)生引力波暴。目前，天文臺(tái)的引力波探測(cè)器平均兩年可以觀(guān)測(cè)到一次引力波事件。

一九一七年，愛(ài)因斯坦將廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程應(yīng)用于宇宙的結(jié)構(gòu)，在假設(shè)宇宙是無(wú)限大、均勻的前提下，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)方程的結(jié)論是不穩(wěn)定的，表明宇宙必然處于膨脹或者收縮其中一種狀態(tài)[10-11]。求出引力場(chǎng)方程的均勻和各向同性的靜態(tài)解，愛(ài)因斯坦引入一個(gè)斥力作用“宇宙常數(shù)”項(xiàng)，得到一個(gè)靜態(tài)宇宙的模型。一九二四年之后，哈勃望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)到行星紅移而宇宙在做加速膨脹，愛(ài)因斯坦意識(shí)到“宇宙常數(shù)”的引入是一生中犯過(guò)最大的錯(cuò)誤。

愛(ài)因斯坦在提出廣義相對(duì)論不久，就開(kāi)始對(duì)宇宙學(xué)進(jìn)行研究。將廣義相對(duì)論原理引入宇宙學(xué)后，發(fā)現(xiàn)宇宙空間要么膨脹要么塌陷。在哈勃望遠(yuǎn)鏡認(rèn)識(shí)銀河系和河外星系之前，愛(ài)因斯坦對(duì)宇宙學(xué)最初的提出是一種假設(shè)，空間方程代入愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程：

可以得到兩個(gè)非零的Friedemann 場(chǎng)方程：

這兩個(gè)方程都是愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程結(jié)合各項(xiàng)均勻理想流體導(dǎo)出的，F(xiàn)riedemann 方程與牛頓力學(xué)中的機(jī)械能守恒類(lèi)似。假設(shè)球?qū)ΨQ(chēng)的天體環(huán)境在做均勻的哈勃膨脹。

方程左邊類(lèi)似于質(zhì)元的加速度，按照牛頓第二定律，右邊為半徑為a 的球面上單位質(zhì)量體元受到的力，于是有：

它描述了牛頓宇宙學(xué)下實(shí)驗(yàn)粒子的減速運(yùn)動(dòng)。廣義相對(duì)論與牛頓引力理論不同的是，引力不僅僅由物質(zhì)的密度決定，而且應(yīng)該由能量-動(dòng)量決定?，F(xiàn)今，正如超越愛(ài)因斯坦計(jì)劃所指出的，宇宙空間還有許多未能解決的天體物理學(xué)問(wèn)題，宇宙驅(qū)動(dòng)的能量來(lái)源、黑洞附近的物理現(xiàn)象、引力波與宇宙膨脹、暗物質(zhì)等，愛(ài)因斯坦相對(duì)論的引入對(duì)于天體物理學(xué)研究的深入更加重要。愛(ài)因斯坦也曾說(shuō)過(guò)[12]：“我沒(méi)有出色的天賦，卻擁有強(qiáng)烈的好奇心”，或許我們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的天文學(xué)探索，能夠超越目前的地球之井的視線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)嶄新而完全不同的天空。

4 結(jié)論

牛頓力學(xué)引入天體物理學(xué)，使得近地行星的軌道計(jì)算和觀(guān)測(cè)水平取得飛躍。但是，對(duì)于宇宙驅(qū)動(dòng)的能量來(lái)源、黑洞附近的物理現(xiàn)象、引力波與宇宙膨脹、暗物質(zhì)等大尺度的高能天體環(huán)境的物理學(xué)現(xiàn)象無(wú)法作出科學(xué)的理論解釋。相對(duì)論物理學(xué)的引入，為天體物理學(xué)的前沿學(xué)科發(fā)展創(chuàng)造了更加廣闊的發(fā)展空間。