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难以置信!天文学家发现迄今最快恒星,速度竟达每秒2.5万公里

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在银河系的中心有着一个质量约430万倍的超大质量黑洞--人马座A*。



它本身不发出任何可探测的光,除过探测外围的吸积盘,天文学家只能靠围绕它运行的恒星,一点点的了解它。

过去二十年,恒星S2是当之无愧的主力探针,它帮人类测出了黑洞的精确质量,验证了引力红移、史瓦西进动等广义相对论预言。

而最近,一颗跑得更近、更快的恒星S301被正式发现,它直接把黑洞探测的边界,推进到了“自旋”这一从未被恒星动力学触及的维度。



相关研究于2026年8月19日发表在《自然》期刊上。



这颗恒星的发现,得益于欧洲南方天文台甚大望远镜的GRAVITY干涉仪。

2023年春天,研究团队在例行监测银心时,注意到黑洞西北方向15毫角秒处有一颗此前从未记录的暗星,短短几个月里,它就出现了明显的位置偏移,运动速度远超周围的恒星。

顺着这条线索,研究人员回溯了2017年和2021年的历史观测数据,在旧数据里找到了这颗星的痕迹,最终用横跨8年的19个位置点,拼出了它完整的运行轨道。



测算结果令研究人员非常惊讶。

S301围绕黑洞转一圈仅需8.7年,是目前已知轨道周期最短的银心恒星,比此前的纪录保持者S55还短3年多,更是比著名的S2恒星短了近一半。

它的轨道极度扁长,偏心率高达0.98,最远点和最近点相差几十倍。

最惊人的是它的近心点距离,受限于当前缺少视向速度数据,轨道存在两种朝向的合理解,对应近心点距离分别为136倍和142倍黑洞史瓦西半径,这差不多是S2近心点的十分之一,是目前人类已知深入黑洞引力场最深的主序星。



在这个距离上,恒星会被黑洞引力加速到每秒2.5万到2.56万公里,这相当于光速的8.3%到8.5%。

这真的太恐怖了!

好在它是一颗质量约1.5倍太阳的F型主序星,体积不大,潮汐半径远小于近心点距离,不会被黑洞的潮汐力撕碎。

之所以天文学家对这颗星如此重视,核心原因是:它是第一颗能用轨道运动直接测量人马座A*自旋的恒星。

在广义相对论里,黑洞的引力效应分不同层级:黑洞质量带来的效应最为显著,属于速度与光速平方比量级的相对论修正,比如S2已经验证的史瓦西进动;而黑洞自转带来的效应是更高阶的,强度弱得多,必须离黑洞足够近才能被观测到。

这种效应叫参考系拖拽,也叫兰斯-蒂林效应——旋转的黑洞会像在浓稠糖浆里转动的勺子一样,拖着周围的时空一起转动,形成一个无形的引力漩涡。



当恒星穿过这个漩涡时,它的轨道平面和近心点方向会发生额外的缓慢偏转,偏转的幅度和速度,直接对应着黑洞的自转快慢和自转轴朝向。

在此之前,S2因为离黑洞较远,自旋带来的轨道偏转极其微弱,需要上百万年才能积累出可观测的明显偏移,所以依靠我们现有的观测手段完全无法实现。

而S301把近心点拉近了10倍,自旋带来的轨道进动强度大幅提升。

如果黑洞以最大速度自转,且自转轴与恒星轨道角动量同向,那么每公转一圈,近心点就会因参考系拖拽额外偏移约0.1度。

按照研究团队的模拟,只要持续观测大约10年,结合未来极大望远镜的光谱数据,就能把人马座A*的自旋参数测量到足够高的精度,从而实现恒星动力学对黑洞自旋的首次直接探测。



除了物理检验,S301还藏着自己的起源谜题。

黑洞附近的潮汐力强到可以撕碎任何分子云,恒星不可能就地形成,所以它一定是从更远的地方迁移过来的。

如此高偏心率的轨道,最合理的解释是希尔斯机制:很久以前,S301原本是一对密近双星的其中一员,当这个双星系统意外闯入黑洞的引力范围时,黑洞的潮汐力把双星硬生生撕开,其中一颗恒星被以极高的速度甩出去,成为逃离银心的超高速星;而S301则被黑洞俘获,进入了现在这个极扁的轨道。

根据轨道参数反推,原来的双星间距约0.05到0.2个天文单位,比水星到太阳的距离还近。



未来如果能通过光谱测出S301的自转速度,就能验证这个假说,因为密近双星会被潮汐锁定,恒星自转通常很快。

按照轨道周期推算,S301下一次抵达近心点的时间在2031年底,届时自旋带来的轨道效应会最为显著。

GRAVITY+合作组会持续跟踪这颗恒星,而未来欧洲极大望远镜上的MICADO光谱仪,还能测出它的视向速度,解开目前轨道朝向的双重简并,让自旋测量更加精准。

研究团队估计,银心附近应该还有上百颗类似的暗弱主序星,只是受限于此前的观测能力没有被发现。

随着更多这类恒星被找到,人类将拥有一组分布在不同轨道上的天然探针阵列,更全面地绘制黑洞周围的时空结构。

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