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银河系最快恒星 S301,或将帮助测出银心黑洞的自旋

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我们都知道,在银河系正中央,距离地球约 2.7 万光年的地方,藏着一个质量相当于 430 万个太阳的庞然大物——人马座 A*(Sagittarius A*)。它是离地球最近的超大质量黑洞,也是目前最适合通过逐颗追踪恒星轨道来研究的超大质量黑洞。


版权: ESO/D. Ribeiro/MPE银河系中心团队

过去三十年,天文学家在它周围发现了几十颗“S 星”( S代表 source 或者 star)。2026 年 8 月,由德国马普地外物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)牵头的 GRAVITY 合作组在《自然》杂志上宣布发现新成员S301。它绕黑洞一周只需 8.7 年,此前的纪录是 S55 保持的 12 年。其轨道扁得像一根被拉长的橡皮筋,每次冲向近心点,也就是离黑洞最近的位置时,速度会达到每秒约 2.5 万公里,相当于光速的 8.5%。这使得 S301 成为目前已知银河系中轨道速度最快的恒星。但它真正重要的地方,不只是快,而是近。

从 S2 到 S301:靠近十倍意味着什么

要理解 S301,得先说一下S2。它每 16 年绕人马座 A* 一周。从上世纪 90 年代起,莱因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)和安德烈娅·盖兹(Andrea Ghez)带领的团队持续追踪 S2 等恒星,通过它们精确测量出了银河系中心致密天体的质量,并为那里存在超大质量黑洞提供了关键证据。两位天文学家也因“发现银河系中心的超大质量致密天体(严谨说法)”分享了2020 年诺贝尔物理学奖的一半(另一半授予英国物理学家罗杰·彭罗斯)。

S2 最靠近黑洞时,距离约为 1400 个史瓦西半径(即无自旋黑洞的“事件视界”半径,代表光都无法逃出的边界);而 S301 只有 136 至 142 个,近了整整十倍。这是什么概念呢?也就约等于土星到太阳的距离,可以说非常近了。而黑洞自旋对时空的影响,会随距离迅速减弱。过去在 S2 轨道上几乎无法分辨的信号,到了 S301 这里,才有望进入可测范围。

时空的两重扭曲

在牛顿引力描绘的理想二体系统里,恒星会沿着同一条闭合椭圆反复运行。但在广义相对论中,黑洞会弯曲周围时空,恒星每跑完一圈,椭圆轨道的方向都会向前转动一点。许多圈叠在一起,轨道就像一朵慢慢打开的花。这种现象叫史瓦西进动(Schwarzschild precession)。即使黑洞完全不旋转,它也会发生,主要反映黑洞质量造成的时空弯曲。水星近日点每百年多出的 43 角秒,是广义相对论最早也最著名的证据之一。S2 每圈的史瓦西进动约为 12 角分;S301 则接近 2 度,大约是 S2 的十倍。


版权:ESO/L. Calçada

如果黑洞还在旋转,事情会再多一层。旋转黑洞不仅让时空“凹下去”,还会像勺子搅动蜂蜜一样,拖着附近时空一起打旋。恒星在其中运动,整个轨道平面也会被轻轻拧动。这就是伦斯—蒂林进动(Lense–Thirring precession),也叫“参考系拖曳”。


版权: ESO/Kornmesser

这正是它与自旋相关的原因:不旋转的黑洞也会让时空弯曲,旋转的黑洞还会拖动时空(让时空“扭曲”)。自旋造成的轨道变化更微弱,而且它随距离衰减得比史瓦西进动更快。只有像 S301 这样贴得足够近的恒星,才可能显露这道痕迹。如果人马座 A* 转得很快,而且自转轴的朝向恰好能让这种影响明显表现出来,S301 每绕一圈,轨道方向就可能因此多偏约 0.1 度。这个微小差别,已经有望被现有和下一代仪器测到。

人马座 A* 到底转得多快

黑洞没有实体表面,所以“转得多快”不是每秒转多少圈。天文学家通常用一个与角动量有关的、从 0 到 1 的无量纲参数来表示自旋强弱:0 代表不旋转,1 代表理论极限。它决定了黑洞周围时空扭曲的程度。

人马座 A* 究竟转得多快,目前没有公认答案。有人根据黑洞外流反推出约 0.9,意味着它可能转得很快;事件视界望远镜的一些模型也偏向中高自旋。另有研究在特定假设下,把自旋上限压到 0.1 以下。结果差别如此之大,是因为这些方法分别依赖对气体、磁场、外流和恒星分布的不同假设。

这篇《自然》论文也没有测出它的自旋。论文图中的数值来自对未来观测的模拟,并不是当前实测结果。S301 的价值,在于提供一种更直接的办法:不再主要根据黑洞周围气体怎样发光来反推,而是看旋转的时空怎样改变一颗恒星的轨道。

在 2.7 万光年外追踪 S301

S301 的亮度只有 S2 的百分之一左右。它很可能只是一颗质量与太阳相差不大的普通主序星,放在太阳附近并不起眼,到了银河系中心,却成了一枚宝贵的“试验粒子”。

要在尘埃密布、群星拥挤的银河系中心找到它,靠的是欧洲南方天文台甚大望远镜(Very Large Telescope)干涉仪上的 GRAVITY。它把四台 8 米望远镜接收到的光组合起来,获得远高于单台望远镜的分辨能力,并能测出极其细微的位置变化。


版权:ESO/A. Berdeu

2023 年春天,团队在人马座 A* 附近注意到一个移动迅速、路径弯曲的微弱光点。他们先拟合出初步轨道,再回到旧资料中寻找它过去应该出现的位置,最终在 2021 年和 2017 年的数据里都找到了踪迹。前后 19 个位置点,跨越八年多,勾勒出一条彼此吻合的椭圆轨道。

这些轨道扭曲不是在照片上直接“看”出来的,而是通过多年测量“算”出来的:把恒星不同时刻的位置放进不同的引力模型,看哪一种能同时解释全部数据。目前 S301 沿视线方向的速度还没有测到,它的三维轨道仍有两种镜像解,这也是眼下还无法测量自旋的原因之一。


版权:ESO/GRAVITY合作团队

为什么还要再等十年

S301 虽快,跑完一圈仍需 8.7 年,而且自旋的影响主要集中在它最接近黑洞的那段时间。它上一次经过近心点是在 2023 年,下一次大约在 2031 年前后。天文学家需要守住这次关键掠过,把新一圈轨道与此前数据比较,并扣除史瓦西进动及附近暗天体的扰动,才可能从接近 2 度的主要偏转中,分离出最多约 0.1 度的自旋信号。

因此,“十年”不是物理学规定的最低年限,而是为了覆盖下一次近心点通过并积累足够数据,目前较现实的时间尺度。论文模拟显示,如果持续观测到 2035 年前后,并利用欧洲南方天文台的极大望远镜(Extremely Large Telescope)上的 MICADO 仪器补上视线方向的速度,在黑洞转得较快、方向有利的情况下,研究人员有望测出自旋大小和方向。这仍是对未来能力的预测。

测出自旋意味着什么

在广义相对论中,一个稳定、孤立的黑洞,其外部性质可以由质量、自旋和电荷来描述。天体物理黑洞通常几乎不带电,因此最重要的是质量和自旋。人马座 A* 的质量已经测得很精确,自旋却仍没有公认的直接结果。S301 若成功补上这一项,将让我们更完整地认识这颗最近的超大质量黑洞。

自旋还保留着黑洞成长方式的线索:它是长期吞入方向相近的物质,逐渐越转越快,还是经历过方向杂乱的吸积与并合,使旋转不断被削弱?不同道路,可能留下不同的自旋。

更重要的是,这项测量将把广义相对论的检验,从“质量怎样弯曲时空”推进到“旋转黑洞怎样拖动(扭曲)时空”。参考系拖曳已在地球附近得到验证(地球自转拖曳周围时空,导致卫星轨道和陀螺仪自转轴发生微小进动);S301 则有望把这种检验带到超大质量黑洞近旁的强引力环境。

研究者还推测,S301 极端的偏心轨道可能来自“希尔斯机制”:一对紧密双星闯入黑洞的潮汐范围后被撕开,一颗被俘获,另一颗则被高速抛向星系边缘。两万七千年前,S301 发出的微弱红外光从银河系中心启程。今天,我们把这些光拼成一条轨道。未来十年,人类等待的不是它简单回到原处,而是看它会不会比不旋转黑洞的理论预期多偏那么一点点。正是那一点点,可能第一次告诉我们:银河系中心那个看不见的庞然大物,究竟转得有多快。

策划制作

作者丨苟利军 中国科学院国家天文台研究员

审核丨韩文标 中国科学院上海天文台研究员

策划丨高佩雯 江帆

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