爱因斯坦又对了！恒星在绕着超大质量黑洞“画花瓣”

　　4 月 16 日，国外媒体曝出天文学家利用欧洲南方天文台（ESO）的超大望远镜（VLT）观测到一颗恒星在银河系中心，环绕着超大质量的黑洞运转着。这一发现验证了爱因斯坦提出的广义相对论中所预测的结果。

　　这一期待已久的结果是在天文学家近 30 年的追踪观测之下，依靠近年来发展得越来越精确的科学观测手段才最终得以实现。

　　牛顿在其引力理论中预测恒星的运转轨道应该类似于椭圆形，但这次观测到的围绕黑洞运转的恒星，其轨迹形状看起来像一个玫瑰花结。这支持了爱因斯坦广义相对论中的预测：一个天体围绕另一个天体的束缚轨道并不是封闭的，不像牛顿万有引力定律那样，而是在运动平面上向前进。

图 | “玫瑰花结”一般的运转轨迹（来源：ESO/L. Calada）

　　此前，人们观测到的水星围绕太阳的运转轨迹形状是支持广义相对论的第一个证据。

　　早在 1859 年，法国天文学家勒威耶发现了根据牛顿万有引力定律计算的水星近日点的进动值与观测到的结果存在差异。他发现实际观测值要比根据牛顿定律计算的理论值每世纪快 38 秒，这在当时引发了天文学家们的广泛关注。他们猜测这个差异是否会因为一个比水星更靠近太阳的行星，受到其引力干扰而引起的？但后来经过多年努力搜索，谁也没有找到这颗“神秘的行星”。

　　而后，爱因斯坦在 1915 年发表了著名的广义相对论，成功地解释了这个问题。如今在一百多年之后，天文学家发现的环绕在银河系中心的人马座 A* （Sagittarius A*，一个非常光亮且致密的射电波源）身边的一颗恒星（S2）存在相似的特征。

　　这一观测结果提供了新的爱因斯坦广义相对论正确的证据，同时还进一步验证了人马座 A* 应是一个比太阳质量要大上 400 万倍的超大质量黑洞。

图 | 银河中心位置的图像，在正中包含着一个被称为 Sgr A* 的黑洞，被标记为橙色的十字，S2 则是本次观测到的环绕 Sgr A* 的恒星（来源：ESO/MPE/S. Gillessen et al.）

　　人马座 A* 距离太阳 26,000 光年，其很有可能是离地球最近的超大质量黑洞，因此也被人们认为是研究黑洞物理的最佳目标。

　　人马座 A* 周围有这密度较高的恒星群，这为物理学提供了一个从未被探索过的极端重力环境中测试的独特实验室。这次天文学家的发现——被称为 S2 的恒星也位于该高密度恒星群之中，它在不超过 200 亿公里的距离内环绕着人马座 A * 这个 “超大质量黑洞” 运转，它也是迄今为止发现的距离人马座 A* 最 “亲密” 的恒星之一。当然，或许 “亲密” 程度也有限，两者的距离大概是太阳到地球距离的 120 倍。

　　2018 年通过 ESO 的超大望远镜观测，天文学家就发现，当 S2 距离人马座 A* 最近时，其移动速度会超过每小时 2500 万公里，几乎是光速的 3%，每 16 年完成一次轨道运转。

　　“在跟踪这颗恒星在其轨道上运转了超过 25 年之后，我们的精密测量技术在它环绕人马座 A* 的轨道上终于发现了有力的证据，成功检测到了 S2 存在史瓦西进动效应。”德国马克斯 - 普朗克研究所的天体物理学家 Stefan Gillessen 说。他领导了这次对 S2 的测量分析研究，并发表在了《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）期刊上。

图 | S2 在非常接近 “超大质量黑洞” 时的轨迹：当它靠近黑洞时，很强的引力场会使恒星的颜色略微移向红色，这是爱因斯坦广义相对论的作用；在此图形中，为清晰起见，夸大了对象的颜色效果和大小（来源：ESO/M. Kornmesser）

　　大多数恒星和行星都有一个非圆轨道，因此它们会离其旋转所围绕的天体越来越近或越来越远。

　　而恒星 S2 的轨道进动，则意味着每当它到达距离 “超大质量黑洞” 最近的点时，其位置都会随着每一次旋转而改变。这样一来，下一次的运转轨道就会相对于前一个轨道旋转，从而形成玫瑰花状。爱因斯坦的广义相对论提供了关于其轨道变化量的精确预测，而这项研究的最新测量结果与理论计算完全吻合。

　　这种效应被称为“史瓦西进动”（Schwarzschild precession），以前人们从未有过对大质量黑洞周围的恒星进行过相关测量。

　　视频 | 恒星 S2 绕人马座 A* 运转模拟（来源：ESO）

　　欧洲南方天文台的超大望远镜的这项研究，还有助于科学家们更多地了解位于银河系中心的 “超大质量黑洞” 附近的情况，进一步帮助人们揭开黑洞的神秘面纱。

　　“因为恒星 S2 的测量很好地遵循了广义相对论，所以我们可以对人马座 A * 周围存在有多少不可见物质，例如分布的暗物质或可能存在的更小的黑洞进行严格限制。而这对于理解超大质量黑洞的形成和演化具有重大意义。”参与该项目的法国首席科学家 Guy Perrin 和 Karine Perraut 说道。

　　如今披露的这一研究结果是科学家们对恒星 S2 长达 27 年观测的结晶。该研究的大部分时间都在位于智利阿塔卡马沙漠的欧洲南方天文台进行。研究团队通过超大望远镜（VLT）及 GRAVITY、SINFONI 和 NACO 等仪器进行了中级超过 330 次的测量，标记恒星位置与速度的数据点的数量证明了该研究的全面性和准确性。

图 | 欧洲南方天文台的超大望远镜 VLT（来源：ESO）

　　总而言之，由于 S2 需要花费数年时间才能绕过“超大质量黑洞”，因此追踪恒星近三十年以揭示其轨道运动的复杂性至关重要。

　　“我们此前验证了恒星发出的光具有广义相对论性质，现在我们已经证明了恒星本身可以感知广义相对论的影响。”葡萄牙天体物理与引力中心的研究员，也是该项目的主要科学家之一 Paulo Garcia 如是说。

　　视频 | 该研究项目的总体介绍，英文（来源：ESO）

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　　参考：

　　https://phys.org/news/2020-04-eso-telescope-star-supermassive-black.html

　　https://www.nytimes.com/2020/04/16/science/black-hole-sagittarius-a.html?action=click&module=Well&pgtype=Homepage§ion=Science

　　https://www.sciencemag.org/news/2020/04/star-s-strange-path-around-black-hole-proves-einstein-right-again

　　https://en.wikipedia.org/wiki/VLT_Survey_Telescope

　　https://en.wikipedia.org/wiki/Sagittarius_A*