圍繞黑洞執行的恆星再次證實了廣義相對論的預測
文章介紹了在追蹤觀察一顆名為S2的恆星後證明S2的軌道不是一個固定的位置橢圓，而是一種被稱為施瓦西進動的現象，即軌道像螺旋圖一樣旋轉，很好地遵循了廣義相對論。
圖源：everyeye
正文：
S2是一顆恆星，它繞著銀河系中心的超大質量黑洞執行。近期，研究人員透過觀測S2，在人們能夠監測的最極端環境中驗證了廣義相對論的預測，為其成立再添實證。
天文學家結合幾十年的觀測結果，發現S2的執行軌道並非固定不變的橢圓，而是類似玫瑰曲線的形狀——這種現象被稱為施瓦西進動。
施瓦西進動假想圖。圖源：ESO
這是首次在超大質量黑洞周圍觀測到施瓦西進動現象，表明廣義相對論也適用於最極端引力環境下的恆星執行軌道。此外，廣義相對論方程也可用於準確預測軌道變化——S2執行軌道的計算結果與觀測結果精確匹配。
德國馬克斯普朗克地外物理研究所 (MPE) 的天體物理學家賴因哈德·根策（ReinhardGenzel）是GRAVITY團隊成員，他說：“愛因斯坦在廣義相對論中做出預測，一個物體圍繞另一個物體執行的軌道並不是像牛頓引力理論那樣的閉合曲線，而是在運動平面內向前推進”。
圖解：“萬有引力”GRAVITY是一種新型儀器，它能將歐洲南方天文臺（ESO）甚大望遠鏡干涉儀（VLTI）的光線連貫地結合在一起，形成相當於130米口徑角解析度和200平方米收集面積的望遠鏡。圖源：ESO
“人們透過監測水星繞行太陽的執行軌道首次觀察到了這一著名的現象，這是支援廣義相對論成立的首個證據。百年之後，我們又透過觀察銀河系中心圍繞緻密射電源人馬座A*執行的恆星軌道，發現了同樣的現象。”
水星色彩強化圖。圖源：wallup
S2圍繞人馬座 A*執行的軌道呈長橢圓形，執行週期16年。當它執行到近星點時，距離黑洞不到17光時，相當於太陽到海王星距離的四倍多。
這樣的距離聽起來很遙遠，但當你面對像人馬座 A* 這樣的巨型天體時，它近到離譜。並且黑洞的引力作用能將掠過它周圍的恆星加速到接近3%的光速。S2是銀河系中心執行軌道距離最近的恆星之一。
人馬座A*（Sagittarius A*，簡寫為Sgr A*，星號*讀作“star”或“星”）是位於銀河系銀心一個非常光亮及緻密的無線電波源，大約每11分鐘自轉一圈，屬於人馬座A的一部分。人馬座A*很有可能是離地球最近的特大質量黑洞的所在，因此也被認為是研究黑洞物理的最佳目標。圖源：Wikipedia
這並不是人們首次透過觀察S2來驗證相對論。天文學家自20世紀90年代以來一直在密切關注這顆恆星。2018 年，GRAVITY團隊宣佈S2在接近人馬座 A*時，其光線彎曲方式證實了廣義相對論的一項預測，這是迄今為止最為極端的測試環境。第二年，另一個團隊用他們自己的論文驗證了這些結果，該論文使用的是一組獨立觀察資料。
GRAVITY團隊當前使用的330多個測量值涵蓋了從1992年到2019年底的觀測資料，用這些資料來驗證觀測到的進動是否與廣義相對論預測相符。結果他們押對了籌碼。
MPE的天體物理學家斯特凡·吉勒森 (Stefan Gillessen)說：“在追蹤觀察恆星S2執行軌道超過二十五年之後，我們透過精密測量發現的證據有力地證實了S2圍繞人馬座 A*執行軌道存在施瓦西進動現象。”
除此之外，要計算S2的進動，還需獲得人馬座 A*精確質量。現有證據表明它的質量約為太陽的400萬倍。而要擬合觀測到的軌道，相對論方程需要的質量引數恰好為太陽質量的400萬倍左右。
圖解：位於室女座的超巨橢圓星系——室女A星系（M87）核心內的超大質量黑洞，估計質量約為太陽的65億倍。此影像是由事件視界望遠鏡所拍攝，是史上首幀黑洞的實際影像。超大質量黑洞是黑洞的一種，其質量是太陽質量的105至109倍（1035至1039千克）。現時一般相信，在所有星系的中心（包括銀河系的中心在內）都存在超大質量黑洞。資料來源：Wikipedia
這一發現再次確認了人馬座A*的質量。天文學家還可以藉此來研究軌道周圍的空間。如果附近存在另一個大質量天體，例如中等質量的黑洞，它就會影響軌道。如果軌道未受影響，則說明附近不存在能夠影響它的天體。
天體物理學家蓋伊·培林（Guy Perrin）和卡林·佩羅（Karine Perraut）分別來自法國巴黎默冬天文臺和格勒諾布林天文臺，兩人指出：“S2測量結果很好地遵循了廣義相對論，我們藉此可以嚴格限定人馬座 A*周圍存在的不可見物質的範圍，例如暗物質或較小黑洞。這對於理解超大質量黑洞的形成和演化具有重要意義。”
從引力透鏡產生的效應，星系團CL0024+17內部被發現存在有一個暗物質圈，在這張哈勃太空望遠映象片裡以藍色顯示出來。（在宇宙學中，暗物質Dark Matter是指不與電磁力產生作用的物質，也就是不會吸收、反射或發出光。人們目前只能透過重力產生的效應得知，而且已經發現宇宙中有大量暗物質的存在。）資料來源：Wikipedia
僅僅一顆恆星就能給我們傳遞這麼多資訊。天文學就是如此奇妙。
該研究已發表在《天文學與天體物理學》上。
BY: MICHELLE STARR
FY: I
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