人類首次發(fā)現(xiàn)恒星在超大質(zhì)量黑洞周圍“舞動(dòng)”！這花式走位正如愛(ài)因斯坦所料

本文作者：付靜

2020-04-17 18:16

導(dǎo)語(yǔ)：經(jīng)過(guò)近 30 年 330 余次的測(cè)量，廣義相對(duì)論再次得到驗(yàn)證。

在近 30 年的追蹤觀測(cè)之后，科學(xué)家再次驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)。

1916 年，愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論，預(yù)言圍繞銀河系中心超大質(zhì)量黑洞運(yùn)行的恒星的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡就像玫瑰花結(jié)一樣。

人類首次發(fā)現(xiàn)恒星在超大質(zhì)量黑洞周圍“舞動(dòng)”！這花式走位正如愛(ài)因斯坦所料

是不是想起了童年玩過(guò)的萬(wàn)花尺？

人類首次發(fā)現(xiàn)恒星在超大質(zhì)量黑洞周圍“舞動(dòng)”！這花式走位正如愛(ài)因斯坦所料

約 30 年前，天文學(xué)家開(kāi)始對(duì)一顆繞銀河系中心黑洞人馬座 A * 軌道運(yùn)行的恒星 S2 進(jìn)行持續(xù)的觀測(cè)工作。在獲得了 330 次恒星位置、速度的數(shù)據(jù)后，確定了 S2 在人馬座 A * 周圍的花式走位，再次證明了廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的正確性。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間 2020 年 4 月 16 日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《天體學(xué)與天體物理學(xué)》（Astronomy & Astrophysics）期刊，題為 Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole（星系中心大質(zhì)量黑洞附近恒星 S2 軌道中史瓦西進(jìn)動(dòng)的探測(cè)）。

史瓦西進(jìn)動(dòng)

1687 年，被一顆蘋果砸中的牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》上發(fā)表了著名的萬(wàn)有引力定律。

此后，人們便知道了，任何一個(gè)有質(zhì)量的物體都具有引力，所以任何兩個(gè)物體都會(huì)相互吸引。而正是因?yàn)檫@種叫做「引力」的東西的存在，宇宙間大大小小的系統(tǒng)都能在一種極度穩(wěn)定的狀態(tài)下有序運(yùn)行。那么順著牛頓的這一思路，恒星的運(yùn)轉(zhuǎn)軌道應(yīng)該類似于橢圓形。

所謂實(shí)踐出真知，隨著天文學(xué)不斷發(fā)展，當(dāng)人們開(kāi)始用萬(wàn)有引力定律計(jì)算位于超大質(zhì)量天體附近的星體運(yùn)行軌道，卻發(fā)現(xiàn)得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)的數(shù)據(jù)相去甚遠(yuǎn)。

1859 年，曾發(fā)現(xiàn)并命名海王星、名字被刻上巴黎埃菲爾鐵塔的著名法國(guó)天文學(xué)家勒威耶就發(fā)現(xiàn)，水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的觀測(cè)值比根據(jù)牛頓萬(wàn)有引力定律算得的理論值每世紀(jì)快 38"。

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于是，一個(gè)更接近“真理”的預(yù)測(cè)問(wèn)世——1915 年，愛(ài)因斯坦完成了其廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)，并于次年正式發(fā)表。

在廣義相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦刷新了人們的認(rèn)知（并不是顛覆萬(wàn)有引力定律，而是進(jìn)一步發(fā)展）。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，我們不能把引力理解為是一種力，確切的來(lái)說(shuō)，應(yīng)該被稱為「時(shí)空曲率」（The curvature of spacetime）。

簡(jiǎn)單來(lái)講，物體的質(zhì)量決定了時(shí)空的性質(zhì)，物體質(zhì)量的分布狀況會(huì)使得時(shí)空彎曲。那么，遇到較大質(zhì)量的天體，光線的路線也會(huì)變得彎曲（可以腦補(bǔ)一下放在軟床上的重球使床面彎曲的畫面）。

具體到天體的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡，恒星在走完一圈橢圓后，下一圈會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，最終恒星的軌跡就會(huì)形成一朵玫瑰花的樣子，而這個(gè)現(xiàn)象也有一個(gè)學(xué)名——史瓦西進(jìn)動(dòng)（Schwarzschild precession）。

人馬座 A* 與恒星 S2

在拉丁語(yǔ)中，Sagittarius 意為“持箭者”，意譯過(guò)來(lái)就是十二星座里面的射手座。在希臘神話中，這位射手是箭頭指向西面一只蝎子（天蝎座）的半人馬族智者喀戎，因此有些地方也會(huì)把射手座稱為人馬座。

1974 年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大質(zhì)量黑洞「人馬座 A*」（Sagittarius A*，Sgr A*，* 代表“star”或“星”）。

人馬座 A* 被認(rèn)為是研究黑洞的最佳目標(biāo)，這是因?yàn)楹诙磸V泛存在于宇宙中，每一個(gè)星系中心都會(huì)存在一個(gè)質(zhì)量很大的黑洞，而人馬座 A* 正是銀河系中的超級(jí)黑洞，距離太陽(yáng) 26,000 光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的 400 多萬(wàn)倍，很有可能是離地球最近的超大質(zhì)量黑洞。

實(shí)際上，科學(xué)家對(duì)黑洞的探索之路相當(dāng)艱難，很大一部分原因是黑洞無(wú)法直接被觀測(cè)到，因此科學(xué)家只能通過(guò)間接方式得知其存在、質(zhì)量，及黑洞對(duì)其他事物的影響。

在人馬座 A* 周圍，存在一顆極其靠近它的恒星 S2（又稱 S0–2），最近距離小于 200 億公里（太陽(yáng)與地球之間的距離的 120 倍）。而對(duì)這一恒星的研究意義重大，主要是因?yàn)椋?/p>

觀測(cè)其運(yùn)動(dòng)也可用于觀測(cè)其他靠近人馬座 A* 的天體——數(shù)千顆散布于 S2 軌道空間內(nèi)的恒星及大量的恒星殘?。ㄈ绾阈羌?jí)黑洞、中子星、白矮星）；
S2 的軌道速度可達(dá)到光速的 3%（≈7650 公里/秒），圍繞人馬座 A* 轉(zhuǎn)一圈只需 16 年，一名天文學(xué)家至少能在有生之年研究其完整的一圈運(yùn)行，并且它也足夠明亮，保證天文學(xué)家能夠?qū)λM(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量。

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近 30 年的 330 次觀測(cè)

1992 年起，包括加州大學(xué)洛杉磯分校、德國(guó)慕尼黑馬克斯-普朗克太空物理學(xué)研究所、歐洲南方天文臺(tái)等在內(nèi)的眾多知名研究團(tuán)隊(duì)便開(kāi)始了對(duì) S2 的監(jiān)測(cè)。

在觀測(cè)過(guò)程中，歐洲南方天文臺(tái)利用到了一個(gè)工具——「甚大望遠(yuǎn)鏡」（Very Large Telescope，VLT）。

人類首次發(fā)現(xiàn)恒星在超大質(zhì)量黑洞周圍“舞動(dòng)”！這花式走位正如愛(ài)因斯坦所料

VLT 位于智利帕瑞納天文臺(tái)，是一種大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，由 4 臺(tái)口徑 8.2 米的望遠(yuǎn)鏡組成。這 4 臺(tái)望遠(yuǎn)鏡既可單獨(dú)使用，也可組成具有相當(dāng)于口徑 16 米的望遠(yuǎn)鏡的聚光能力和口徑 130 米的望遠(yuǎn)鏡的角分辨能力的光學(xué)干涉儀，進(jìn)行高分辨率觀測(cè)。

雷鋒網(wǎng)了解到，VLT 于 2012 年全部建成開(kāi)始工作，其主要任務(wù)為搜索太陽(yáng)系旁鄰近恒星的行星、研究星云內(nèi)恒星的誕生、觀察活躍星系核內(nèi)可能隱藏的黑洞，及探索宇宙的邊緣等。

除 VLT 外，研究團(tuán)隊(duì)還利用 GRAVITY（可給出非常清晰的圖像及精確位置）、SINFONI（可精確測(cè)量恒星的徑向速度）和 NACO 等儀器進(jìn)行了超過(guò) 330 次的測(cè)量，從而標(biāo)記恒星的位置與速度等，最終再次證明了廣義相對(duì)論的正確預(yù)測(cè)，這也是人類首次發(fā)現(xiàn)恒星在超大質(zhì)量黑洞周圍“舞動(dòng)”。

正如論文合著者之一、馬克斯-普朗克太空物理學(xué)研究所天文學(xué)家 Stefan Gillessen 所說(shuō)：