4 月 16 日，國外媒體曝出天文學(xué)家利用歐洲南方天文臺(tái)（ESO）的超大望遠(yuǎn)鏡（VLT）觀測(cè)到一顆恒星在銀河系中心，環(huán)繞著超大質(zhì)量的黑洞運(yùn)轉(zhuǎn)著。這一發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了愛因斯坦提出的廣義相對(duì)論中所預(yù)測(cè)的結(jié)果。
這一期待已久的結(jié)果是在天文學(xué)家近 30 年的追蹤觀測(cè)之下，依靠近年來發(fā)展得越來越精確的科學(xué)觀測(cè)手段才最終得以實(shí)現(xiàn)。
牛頓在其引力理論中預(yù)測(cè)恒星的運(yùn)轉(zhuǎn)軌道應(yīng)該類似于橢圓形，但這次觀測(cè)到的圍繞黑洞運(yùn)轉(zhuǎn)的恒星，其軌跡形狀看起來像一個(gè)玫瑰花結(jié)。這支持了愛因斯坦廣義相對(duì)論中的預(yù)測(cè)：一個(gè)天體圍繞另一個(gè)天體的束縛軌道并不是封閉的，不像牛頓萬有引力定律那樣，而是在運(yùn)動(dòng)平面上向前進(jìn)。
此前，人們觀測(cè)到的水星圍繞太陽的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡形狀是支持廣義相對(duì)論的第一個(gè)證據(jù)。
早在 1859 年，法國天文學(xué)家勒威耶發(fā)現(xiàn)了根據(jù)牛頓萬有引力定律計(jì)算的水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)值與觀測(cè)到的結(jié)果存在差異。他發(fā)現(xiàn)實(shí)際觀測(cè)值要比根據(jù)牛頓定律計(jì)算的理論值每世紀(jì)快 38 秒，這在當(dāng)時(shí)引發(fā)了天文學(xué)家們的廣泛關(guān)注。他們猜測(cè)這個(gè)差異是否會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)比水星更靠近太陽的行星，受到其引力干擾而引起的？但后來經(jīng)過多年努力搜索，誰也沒有找到這顆“神秘的行星”。
而后，愛因斯坦在 1915 年發(fā)表了著名的廣義相對(duì)論，成功地解釋了這個(gè)問題。如今在一百多年之后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的環(huán)繞在銀河系中心的人馬座 A* （Sagittarius A*，一個(gè)非常光亮且致密的射電波源）身邊的一顆恒星（S2）存在相似的特征。
這一觀測(cè)結(jié)果提供了新的愛因斯坦廣義相對(duì)論正確的證據(jù)，同時(shí)還進(jìn)一步驗(yàn)證了人馬座 A* 應(yīng)是一個(gè)比太陽質(zhì)量要大上 400 萬倍的超大質(zhì)量黑洞。
人馬座 A* 距離太陽 26,000 光年，其很有可能是離地球最近的超大質(zhì)量黑洞，因此也被人們認(rèn)為是研究黑洞物理的最佳目標(biāo)。
人馬座 A* 周圍有這密度較高的恒星群，這為物理學(xué)提供了一個(gè)從未被探索過的極端重力環(huán)境中測(cè)試的獨(dú)特實(shí)驗(yàn)室。這次天文學(xué)家的發(fā)現(xiàn)——被稱為 S2 的恒星也位于該高密度恒星群之中，它在不超過 200 億公里的距離內(nèi)環(huán)繞著人馬座 A * 這個(gè) “超大質(zhì)量黑洞” 運(yùn)轉(zhuǎn)，它也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的距離人馬座 A* 最 “親密” 的恒星之一。當(dāng)然，或許 “親密” 程度也有限，兩者的距離大概是太陽到地球距離的 120 倍。
2018 年通過 ESO 的超大望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，當(dāng) S2 距離人馬座 A* 最近時(shí)，其移動(dòng)速度會(huì)超過每小時(shí) 2500 萬公里，幾乎是光速的 3%，每 16 年完成一次軌道運(yùn)轉(zhuǎn)。
“在跟蹤這顆恒星在其軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)了超過 25 年之后，我們的精密測(cè)量技術(shù)在它環(huán)繞人馬座 A* 的軌道上終于發(fā)現(xiàn)了有力的證據(jù)，成功檢測(cè)到了 S2 存在史瓦西進(jìn)動(dòng)效應(yīng)?！?德國馬克斯 - 普朗克研究所的天體物理學(xué)家 Stefan Gillessen 說。他領(lǐng)導(dǎo)了這次對(duì) S2 的測(cè)量分析研究，并發(fā)表在了《天文學(xué)與天體物理學(xué)》（Astronomy & Astrophysics）期刊上。
大多數(shù)恒星和行星都有一個(gè)非圓軌道，因此它們會(huì)離其旋轉(zhuǎn)所圍繞的天體越來越近或越來越遠(yuǎn)。
而恒星 S2 的軌道進(jìn)動(dòng)，則意味著每當(dāng)它到達(dá)距離 “超大質(zhì)量黑洞” 最近的點(diǎn)時(shí)，其位置都會(huì)隨著每一次旋轉(zhuǎn)而改變。這樣一來，下一次的運(yùn)轉(zhuǎn)軌道就會(huì)相對(duì)于前一個(gè)軌道旋轉(zhuǎn)，從而形成玫瑰花狀。愛因斯坦的廣義相對(duì)論提供了關(guān)于其軌道變化量的精確預(yù)測(cè)，而這項(xiàng)研究的最新測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算完全吻合。
這種效應(yīng)被稱為“史瓦西進(jìn)動(dòng)”（Schwarzschild precession），以前人們從未有過對(duì)大質(zhì)量黑洞周圍的恒星進(jìn)行過相關(guān)測(cè)量。
視頻 | 恒星 S2 繞人馬座 A* 運(yùn)轉(zhuǎn)模擬（來源：ESO）
歐洲南方天文臺(tái)的超大望遠(yuǎn)鏡的這項(xiàng)研究，還有助于科學(xué)家們更多地了解位于銀河系中心的 “超大質(zhì)量黑洞” 附近的情況，進(jìn)一步幫助人們揭開黑洞的神秘面紗。
“因?yàn)楹阈?S2 的測(cè)量很好地遵循了廣義相對(duì)論，所以我們可以對(duì)人馬座 A * 周圍存在有多少不可見物質(zhì)，例如分布的暗物質(zhì)或可能存在的更小的黑洞進(jìn)行嚴(yán)格限制。而這對(duì)于理解超大質(zhì)量黑洞的形成和演化具有重大意義?！?/span>參與該項(xiàng)目的法國首席科學(xué)家 Guy Perrin 和 Karine Perraut 說道。
如今披露的這一研究結(jié)果是科學(xué)家們對(duì)恒星 S2 長達(dá) 27 年觀測(cè)的結(jié)晶。該研究的大部分時(shí)間都在位于智利阿塔卡馬沙漠的歐洲南方天文臺(tái)進(jìn)行。研究團(tuán)隊(duì)通過超大望遠(yuǎn)鏡（VLT）及 GRAVITY、SINFONI 和 NACO 等儀器進(jìn)行了中級(jí)超過 330 次的測(cè)量，標(biāo)記恒星位置與速度的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量證明了該研究的全面性和準(zhǔn)確性。
總而言之，由于 S2 需要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間才能繞過“超大質(zhì)量黑洞”，因此追蹤恒星近三十年以揭示其軌道運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性至關(guān)重要。
“我們此前驗(yàn)證了恒星發(fā)出的光具有廣義相對(duì)論性質(zhì)，現(xiàn)在我們已經(jīng)證明了恒星本身可以感知廣義相對(duì)論的影響?！?/span>葡萄牙天體物理與引力中心的研究員，也是該項(xiàng)目的主要科學(xué)家之一 Paulo Garcia 如是說。
視頻 | 該研究項(xiàng)目的總體介紹，英文（來源：ESO）
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