学界传来新讯！距黑洞极近的恒星被发现，广义相对论将获新检验

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。

从S2到S301：靠近十倍意味着什么

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。

图 2：史瓦西进动概念图。描绘的是恒星S2绕人马座A* 的运动轨迹。

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”。

图 3: 旋转的黑洞会拖动周围的时空，这种现象被称为伦斯—蒂林效应。恒星如果足够靠近黑洞，其轨道便会出现微小的额外偏转，长期精确观测这种变化，有望测量黑洞的自旋。

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

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。

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”。

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。

图5：这组由 GRAVITY 仪器拍摄的图像序列，显示一颗名为S301的恒星比任何其他已知恒星都更接近黑洞。下面的小圆圈以海王星（Neptune）的轨道大小作为对比。

为什么还要再等十年

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。