作者:虞涵棋 来源:澎湃新闻 发布时间:2020/4/16 16:28:40
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人类首见恒星在超大质量黑洞边徘徊,如爱因斯坦所料花式走位

 

如果一颗恒星在超大质量黑洞的边缘“疯狂试探”,它的走位是什么样?经典的牛顿引力理论认为是椭圆形,而爱因斯坦在百年前提出的广义相对论则预测是复杂的玫瑰花形。

4月16日,欧洲南方天文台(ESO)宣布经过27年的努力,人类终于通过甚大望远镜(VLT)描绘出了这样一颗绕着我们的银河系中心黑洞运动的恒星。它的轨迹显示,爱因斯坦又一次对了。

事实上,我们印象中天体闭合的椭圆轨道只是一种简单的近似结果。广义相对论考虑到了许多复杂的因素,认为天体走完一圈椭圆之后,下一圈椭圆会出现轻微的偏差,每一圈椭圆犹如一片花瓣,最后旋接成一朵“玫瑰花”。

这个现象被称作“史瓦西进动”,以行星绕恒星为例,就是恒星轨道从最靠近恒星的“近日点”出发,绕完一圈不会回到原来的位置,而是不断发生有规律的旋进。

对于我们的地球而言,这种进动造成的偏差几可忽略不计,但对于更靠近太阳的水星而言,就明显得多。早在1859年,法国天文学家勒维耶就发现水星的轨道近日点在变化,即使考虑到岁差以及地球、金星等邻近天体造成的影响,与牛顿引力理论的偏差也达到了约每世纪偏43角秒。科学家们一度怀疑,在水星轨道之内还有颗更靠近太阳的“火神星”。

“火神星”当然并不存在,真正的偏差在于人类对引力的认知。当引力场强到一定程度,牛顿经典理论就不再适用,必须请出更高级的学问。水星的“迷之走位”后来成了爱因斯坦广义相对论的最早一个证据。

那么,如果是一颗恒星绕着黑洞旋转,在极端引力场里能否也开出一朵玫瑰花?

距离太阳26000光年之遥的银河系中心,就蛰伏着一个超大质量黑洞人马座A*,附近盘旋着密密麻麻的星团,为科学家们提供了一个天然的极端物理现象实验室。

其中,有一颗记作S2的恒星最为大胆,距离黑洞只有200亿公里(约120倍日地距离),每隔16年就完成一周公转。当它在最近点飞掠过黑洞时,速度可达到将近3%光速。

位于德国加兴的马克斯•普朗克外星物理学研究所(MPE)的一个研究团队,利用智利阿塔卡玛沙漠里的甚大望远镜持续追踪它27年,

为了描绘S2的复杂轨道运动,他们总共进行了330多次观测,标记了海量位置和速度数据。恒星绕黑洞的“史瓦西进动”终于获得确凿的验证。

MPE所长根则尔(Reinhard Genzel)同时表示,这项突破性发现也坐实了人马座A*的性质:它是个约为400万倍太阳质量的超大质量黑洞。

此外,关于银河系中心的其他一些迷雾,如暗物质的比重、是否存在其他小型黑洞,相关观测结果也给出了新的限制。

S2并非最靠近人马座A*的恒星。如果更高级的39米口径“极大望远镜”建成,科学家们相信能找到隐藏在黑洞更近处的恒星,借助它们更深刻地感受人马座A*的自旋和质量,定义其周围的时间和空间。这又上升到了更深层面的广义相对论。

 
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