银河系中心新恒星8.7年绕黑洞一周，首次有望测出黑洞自转

在银河系中心，那个被称为人马座A*的超级黑洞附近，天文学家最近发现了一颗此前从未见过的暗淡恒星。这颗编号为S301的恒星，正以人类记录过的最紧凑、最极端的轨道，绕着这个质量相当于430万个太阳的庞然大物狂奔。

这件事有意思在哪？简单说，这颗恒星可能是我们第一次有机会直接测量黑洞自转的钥匙。而黑洞自转，是爱因斯坦广义相对论中一个极其重要、却一直难以验证的预言。

一颗轨道最极端的恒星

先说说这颗恒星本身。它是在2023年春天，由欧洲南方天文台甚大望远镜干涉仪上的GRAVITY仪器捕捉到的。天文学家追踪它的运动轨迹，再回头翻找更早的观测数据，确认这颗恒星至少从2017年起就一直在那里，只是此前从未被注意到。

S301最特别的地方在于它的轨道。它绕人马座A*转一圈只需要8.7年——这比此前已知的任何围绕该黑洞运行的恒星轨道周期都要短。而且它的轨道极其狭长，最接近黑洞时，距离只有黑洞史瓦西半径的约136到142倍。

这个距离意味着什么？在那个位置，S301的速度会飙到惊人的每秒2.5万公里，超过光速的8%。要知道，光速是宇宙速度的极限，一颗恒星能跑到这个速度，说明它确实在极端引力环境中挣扎。

从亮度来看，天文学家推断S301是一颗紧凑的、类似太阳的主序星，质量大约是太阳的1.1到1.5倍。它太小也太暗了，不可能是此前在黑洞附近看到的那种巨星。

它从哪来？可能是一场“恒星拆散案”的幸存者

一颗这么小的恒星，怎么会跑到黑洞这么近的地方？天文学家给出了一个推测：S301很可能原本是一个紧密双星系统的一部分，这个双星系统不小心游荡到了人马座A*附近，然后被黑洞的引力撕开了。

这个过程有个专门的名字，叫Hills机制。简单说，就是黑洞的潮汐力把一对双星拆散：其中一颗被甩出去，变成一颗超高速星，飞向银河系深处；而另一颗——也就是S301——则被黑洞捕获，落到了现在这条紧凑而狭长的轨道上。

这个解释听起来挺合理，但要注意，这只是天文学家的推测，目前还没有直接证据能证明S301确实经历过这个过程。不过，它的轨道特征确实和Hills机制预测的结果很吻合。

为什么这颗恒星这么重要？

S301最大的价值，在于它可能是第一颗能用来直接测量黑洞自转的恒星。

这里需要稍微解释一下。根据爱因斯坦的广义相对论，一个旋转的黑洞会拖拽周围的时空，使其发生扭曲。这个效应叫“参考系拖曳”或“冷泽-提苓效应”。它会影响附近恒星的轨道，让轨道平面发生缓慢的进动。

这个效应在理论上早就被预言了，但一直很难观测到。原因很简单：要感受到这种效应，恒星必须离黑洞足够近，而且黑洞必须转得够快。此前发现的恒星，要么离得太远，要么轨道周期太长，效应太微弱，根本测不出来。

S301不一样。它离人马座A*太近了，轨道周期又短，理论上应该能感受到明显的时空拖拽效应。如果天文学家能精确追踪它的轨道变化，就有可能从中提取出黑洞自转的信息。

这可不是一件小事。黑洞自转是黑洞最基本的物理参数之一，但至今没有直接测量过。如果能测出来，对检验广义相对论、理解黑洞如何形成和演化，都有重要意义。

科学家怎么说？

这项研究的参与者之一，是诺贝尔奖得主、马克斯·普朗克地外物理研究所所长莱因哈德·根策尔教授。他在谈到这个发现时说：“几十年来精心追踪围绕银河系中心黑洞运行的恒星，最终带来了这个突破性的发现——一颗非常有前途的恒星。”

他还补充道：“因为S301的轨道离人马座A*如此之近，它为研究这个极端黑洞环境中的时空基本性质打开了一扇新窗口。”

巴黎天文台的卡里姆·阿卜杜勒·戴耶姆博士和他的同事们也参与了这项研究。他们指出，人马座A*是银河系中心距离我们最近的大质量黑洞，距离大约8300秒差距（约2.7万光年）。正因为离得近，天文学家才能测量出围绕它运行的单个恒星的轨道。

这些恒星就像测试粒子一样，用来探测这个质量达430万太阳质量的黑洞周围的引力势。

接下来会怎样？

目前，天文学家已经确认了S301的存在和轨道，但关于它能否真正测出黑洞自转，还需要更多观测数据。毕竟，要测量轨道进动这种细微的效应，需要足够长的观测时间跨度，以及足够高的测量精度。

S301的轨道周期是8.7年，这意味着天文学家至少需要观测它好几个完整周期，才能积累足够的数据来提取自转信号。这可能需要几十年的时间。

不过，这已经是目前最有希望的方向了。在此之前，没有任何一颗已知恒星能离人马座A*这么近，也没有任何一颗恒星能让天文学家有机会直接测量黑洞自转。

这件事本身没那么神奇，真正神奇的是：一颗小小的、不起眼的恒星，因为恰好被黑洞捕获到了极近的轨道上，可能成为我们理解宇宙最基本规律的关键线索。

科学有时候就是这样，一个偶然的发现，可能打开一扇此前从未想过能打开的门。S301会不会就是那把钥匙，还需要时间来验证。但至少，它给了天文学家一个值得期待的新方向。