圍繞黑洞運(yùn)行的恒星再次證實(shí)了廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)

文章介紹了在追蹤觀(guān)察一顆名為S2的恒星后證明S2的軌道不是一個(gè)固定的位置橢圓，而是一種被稱(chēng)為施瓦西進(jìn)動(dòng)的現(xiàn)象，即軌道像螺旋圖一樣旋轉(zhuǎn)，很好地遵循了廣義相對(duì)論。

圖源：everyeye

正文：

S2是一顆恒星，它繞著銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞運(yùn)行。近期，研究人員通過(guò)觀(guān)測(cè)S2，在人們能夠監(jiān)測(cè)的最極端環(huán)境中驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，為其成立再添實(shí)證。

天文學(xué)家結(jié)合幾十年的觀(guān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)S2的運(yùn)行軌道并非固定不變的橢圓，而是類(lèi)似玫瑰曲線(xiàn)的形狀——這種現(xiàn)象被稱(chēng)為施瓦西進(jìn)動(dòng)。

施瓦西進(jìn)動(dòng)假想圖。圖源：ESO

這是首次在超大質(zhì)量黑洞周?chē)^(guān)測(cè)到施瓦西進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，表明廣義相對(duì)論也適用于最極端引力環(huán)境下的恒星運(yùn)行軌道。此外，廣義相對(duì)論方程也可用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)軌道變化——S2運(yùn)行軌道的計(jì)算結(jié)果與觀(guān)測(cè)結(jié)果精確匹配。

德國(guó)馬克斯普朗克地外物理研究所 (MPE) 的天體物理學(xué)家賴(lài)因哈德·根策（ReinhardGenzel）是GRAVITY團(tuán)隊(duì)成員，他說(shuō)：“愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中做出預(yù)測(cè)，一個(gè)物體圍繞另一個(gè)物體運(yùn)行的軌道并不是像牛頓引力理論那樣的閉合曲線(xiàn)，而是在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)向前推進(jìn)”。

圖解：“萬(wàn)有引力”GRAVITY是一種新型儀器，它能將歐洲南方天文臺(tái)（ESO）甚大望遠(yuǎn)鏡干涉儀（VLTI）的光線(xiàn)連貫地結(jié)合在一起，形成相當(dāng)于130米口徑角分辨率和200平方米收集面積的望遠(yuǎn)鏡。圖源：ESO

“人們通過(guò)監(jiān)測(cè)水星繞行太陽(yáng)的運(yùn)行軌道首次觀(guān)察到了這一著名的現(xiàn)象，這是支持廣義相對(duì)論成立的首個(gè)證據(jù)。百年之后，我們又通過(guò)觀(guān)察銀河系中心圍繞致密射電源人馬座A*運(yùn)行的恒星軌道，發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象?！?/p>

水星色彩強(qiáng)化圖。圖源：wallup

S2圍繞人馬座 A*運(yùn)行的軌道呈長(zhǎng)橢圓形，運(yùn)行周期16年。當(dāng)它運(yùn)行到近星點(diǎn)時(shí)，距離黑洞不到17光時(shí)，相當(dāng)于太陽(yáng)到海王星距離的四倍多。

這樣的距離聽(tīng)起來(lái)很遙遠(yuǎn)，但當(dāng)你面對(duì)像人馬座 A* 這樣的巨型天體時(shí)，它近到離譜。并且黑洞的引力作用能將掠過(guò)它周?chē)暮阈羌铀俚浇咏?%的光速。S2是銀河系中心運(yùn)行軌道距離最近的恒星之一。

人馬座A*（Sagittarius A*，簡(jiǎn)寫(xiě)為Sgr A*，星號(hào)*讀作“star”或“星”）是位于銀河系銀心一個(gè)非常光亮及致密的無(wú)線(xiàn)電波源，大約每11分鐘自轉(zhuǎn)一圈，屬于人馬座A的一部分。人馬座A*很有可能是離地球最近的特大質(zhì)量黑洞的所在，因此也被認(rèn)為是研究黑洞物理的最佳目標(biāo)。圖源：Wikipedia

這并不是人們首次通過(guò)觀(guān)察S2來(lái)驗(yàn)證相對(duì)論。天文學(xué)家自20世紀(jì)90年代以來(lái)一直在密切關(guān)注這顆恒星。2018 年，GRAVITY團(tuán)隊(duì)宣布S2在接近人馬座 A*時(shí)，其光線(xiàn)彎曲方式證實(shí)了廣義相對(duì)論的一項(xiàng)預(yù)測(cè)，這是迄今為止最為極端的測(cè)試環(huán)境。第二年，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)用他們自己的論文驗(yàn)證了這些結(jié)果，該論文使用的是一組獨(dú)立觀(guān)察數(shù)據(jù)。

GRAVITY團(tuán)隊(duì)當(dāng)前使用的330多個(gè)測(cè)量值涵蓋了從1992年到2019年底的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證觀(guān)測(cè)到的進(jìn)動(dòng)是否與廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)相符。結(jié)果他們押對(duì)了籌碼。

MPE的天體物理學(xué)家斯特凡·吉勒森 (Stefan Gillessen)說(shuō)：“在追蹤觀(guān)察恒星S2運(yùn)行軌道超過(guò)二十五年之后，我們通過(guò)精密測(cè)量發(fā)現(xiàn)的證據(jù)有力地證實(shí)了S2圍繞人馬座 A*運(yùn)行軌道存在施瓦西進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。”

除此之外，要計(jì)算S2的進(jìn)動(dòng)，還需獲得人馬座 A*精確質(zhì)量?，F(xiàn)有證據(jù)表明它的質(zhì)量約為太陽(yáng)的400萬(wàn)倍。而要擬合觀(guān)測(cè)到的軌道，相對(duì)論方程需要的質(zhì)量參數(shù)恰好為太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍左右。

圖解：位于室女座的超巨橢圓星系——室女A星系（M87）核心內(nèi)的超大質(zhì)量黑洞，估計(jì)質(zhì)量約為太陽(yáng)的65億倍。此影像是由事件視界望遠(yuǎn)鏡所拍攝，是史上首幀黑洞的實(shí)際影像。超大質(zhì)量黑洞是黑洞的一種，其質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的105至109倍（1035至1039千克）。現(xiàn)時(shí)一般相信，在所有星系的中心（包括銀河系的中心在內(nèi)）都存在超大質(zhì)量黑洞。資料來(lái)源：Wikipedia

這一發(fā)現(xiàn)再次確認(rèn)了人馬座A*的質(zhì)量。天文學(xué)家還可以借此來(lái)研究軌道周?chē)目臻g。如果附近存在另一個(gè)大質(zhì)量天體，例如中等質(zhì)量的黑洞，它就會(huì)影響軌道。如果軌道未受影響，則說(shuō)明附近不存在能夠影響它的天體。

天體物理學(xué)家蓋伊·培林（Guy Perrin）和卡林·佩羅（Karine Perraut）分別來(lái)自法國(guó)巴黎默冬天文臺(tái)和格勒諾布爾天文臺(tái)，兩人指出：“S2測(cè)量結(jié)果很好地遵循了廣義相對(duì)論，我們借此可以嚴(yán)格限定人馬座 A*周?chē)嬖诘牟豢梢?jiàn)物質(zhì)的范圍，例如暗物質(zhì)或較小黑洞。這對(duì)于理解超大質(zhì)量黑洞的形成和演化具有重要意義。”

從引力透鏡產(chǎn)生的效應(yīng)，星系團(tuán)CL0024+17內(nèi)部被發(fā)現(xiàn)存在有一個(gè)暗物質(zhì)圈，在這張哈勃太空望遠(yuǎn)鏡像片里以藍(lán)色顯示出來(lái)。（在宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)Dark Matter是指不與電磁力產(chǎn)生作用的物質(zhì)，也就是不會(huì)吸收、反射或發(fā)出光。人們目前只能透過(guò)重力產(chǎn)生的效應(yīng)得知，而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)宇宙中有大量暗物質(zhì)的存在。）資料來(lái)源：Wikipedia

僅僅一顆恒星就能給我們傳遞這么多信息。天文學(xué)就是如此奇妙。

該研究已發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》上。

BY: MICHELLE STARR

FY: I

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