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人類首見恒星在超大質量黑洞邊徘徊,如愛因斯坦所料花式走位

澎湃新聞記者 虞涵棋
2020-04-16 15:00
來源:澎湃新聞
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如果一顆恒星在超大質量黑洞的邊緣“瘋狂試探”,它的走位是什么樣?經典的牛頓引力理論認為是橢圓形,而愛因斯坦在百年前提出的廣義相對論則預測是復雜的玫瑰花形。

4月16日,歐洲南方天文臺(ESO)宣布經過27年的努力,人類終于通過甚大望遠鏡(VLT)描繪出了這樣一顆繞著我們的銀河系中心黑洞運動的恒星。它的軌跡顯示,愛因斯坦又一次對了。

史瓦西進動藝術示意圖

事實上,我們印象中天體閉合的橢圓軌道只是一種簡單的近似結果。廣義相對論考慮到了許多復雜的因素,認為天體走完一圈橢圓之后,下一圈橢圓會出現輕微的偏差,每一圈橢圓猶如一片花瓣,最后旋接成一朵“玫瑰花”。

這個現象被稱作“史瓦西進動”,以行星繞恒星為例,就是恒星軌道從最靠近恒星的“近日點”出發,繞完一圈不會回到原來的位置,而是不斷發生有規律的旋進。

對于我們的地球而言,這種進動造成的偏差幾可忽略不計,但對于更靠近太陽的水星而言,就明顯得多。早在1859年,法國天文學家勒維耶就發現水星的軌道近日點在變化,即使考慮到歲差以及地球、金星等鄰近天體造成的影響,與牛頓引力理論的偏差也達到了約每世紀偏43角秒。科學家們一度懷疑,在水星軌道之內還有顆更靠近太陽的“火神星”。

“火神星”當然并不存在,真正的偏差在于人類對引力的認知。當引力場強到一定程度,牛頓經典理論就不再適用,必須請出更高級的學問。水星的“迷之走位”后來成了愛因斯坦廣義相對論的最早一個證據。

那么,如果是一顆恒星繞著黑洞旋轉,在極端引力場里能否也開出一朵玫瑰花?

距離太陽26000光年之遙的銀河系中心,就蟄伏著一個超大質量黑洞人馬座A*,附近盤旋著密密麻麻的星團,為科學家們提供了一個天然的極端物理現象實驗室。

銀河系中心黑洞周圍的恒星軌道

其中,有一顆記作S2的恒星最為大膽,距離黑洞只有200億公里(約120倍日地距離),每隔16年就完成一周公轉。當它在最近點飛掠過黑洞時,速度可達到將近3%光速。

位于德國加興的馬克斯?普朗克外星物理學研究所(MPE)的一個研究團隊,利用智利阿塔卡瑪沙漠里的甚大望遠鏡持續追蹤它27年,

為了描繪S2的復雜軌道運動,他們總共進行了330多次觀測,標記了海量位置和速度數據。恒星繞黑洞的“史瓦西進動”終于獲得確鑿的驗證。

MPE所長根則爾(Reinhard Genzel)同時表示,這項突破性發現也坐實了人馬座A*的性質:它是個約為400萬倍太陽質量的超大質量黑洞。

此外,關于銀河系中心的其他一些迷霧,如暗物質的比重、是否存在其他小型黑洞,相關觀測結果也給出了新的限制。

神秘的銀心

S2并非最靠近人馬座A*的恒星。如果更高級的39米口徑“極大望遠鏡”建成,科學家們相信能找到隱藏在黑洞更近處的恒星,借助它們更深刻地感受人馬座A*的自旋和質量,定義其周圍的時間和空間。這又上升到了更深層面的廣義相對論。

    責任編輯:李躍群
    圖片編輯:施佳慧
    校對:劉威
    澎湃新聞報料:021-962866
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