人类首次发现恒星在超大质量黑洞周围“舞动”！这花式走位正如爱因斯坦所料

本文作者：付静

2020-04-17 18:16

导语：经过近 30 年 330 余次的测量，广义相对论再次得到验证。

在近 30 年的追踪观测之后，科学家再次验证了广义相对论的预测。

1916 年，爱因斯坦发表广义相对论，预言围绕银河系中心超大质量黑洞运行的恒星的运转轨迹就像玫瑰花结一样。

人类首次发现恒星在超大质量黑洞周围“舞动”！这花式走位正如爱因斯坦所料

是不是想起了童年玩过的万花尺？

人类首次发现恒星在超大质量黑洞周围“舞动”！这花式走位正如爱因斯坦所料

约 30 年前，天文学家开始对一颗绕银河系中心黑洞人马座 A * 轨道运行的恒星 S2 进行持续的观测工作。在获得了 330 次恒星位置、速度的数据后，确定了 S2 在人马座 A * 周围的花式走位，再次证明了广义相对论预测的正确性。

当地时间 2020 年 4 月 16 日，相关研究成果在线发表于《天体学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）期刊，题为 Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole（星系中心大质量黑洞附近恒星 S2 轨道中史瓦西进动的探测）。

史瓦西进动

1687 年，被一颗苹果砸中的牛顿在《自然哲学的数学原理》上发表了著名的万有引力定律。

此后，人们便知道了，任何一个有质量的物体都具有引力，所以任何两个物体都会相互吸引。而正是因为这种叫做「引力」的东西的存在，宇宙间大大小小的系统都能在一种极度稳定的状态下有序运行。那么顺着牛顿的这一思路，恒星的运转轨道应该类似于椭圆形。

所谓实践出真知，随着天文学不断发展，当人们开始用万有引力定律计算位于超大质量天体附近的星体运行轨道，却发现得到的计算结果与实际观测的数据相去甚远。

1859 年，曾发现并命名海王星、名字被刻上巴黎埃菲尔铁塔的著名法国天文学家勒威耶就发现，水星近日点进动的观测值比根据牛顿万有引力定律算得的理论值每世纪快 38"。

人类首次发现恒星在超大质量黑洞周围“舞动”！这花式走位正如爱因斯坦所料

于是，一个更接近“真理”的预测问世——1915 年，爱因斯坦完成了其广义相对论的基础，并于次年正式发表。

在广义相对论中，爱因斯坦刷新了人们的认知（并不是颠覆万有引力定律，而是进一步发展）。爱因斯坦认为，我们不能把引力理解为是一种力，确切的来说，应该被称为「时空曲率」（The curvature of spacetime）。

简单来讲，物体的质量决定了时空的性质，物体质量的分布状况会使得时空弯曲。那么，遇到较大质量的天体，光线的路线也会变得弯曲（可以脑补一下放在软床上的重球使床面弯曲的画面）。

具体到天体的运转轨迹，恒星在走完一圈椭圆后，下一圈会出现一定的偏差，最终恒星的轨迹就会形成一朵玫瑰花的样子，而这个现象也有一个学名——史瓦西进动（Schwarzschild precession）。

人马座 A* 与恒星 S2

在拉丁语中，Sagittarius 意为“持箭者”，意译过来就是十二星座里面的射手座。在希腊神话中，这位射手是箭头指向西面一只蝎子（天蝎座）的半人马族智者喀戎，因此有些地方也会把射手座称为人马座。

1974 年，天文学家发现了一个超大质量黑洞「人马座 A*」（Sagittarius A*，Sgr A*，* 代表“star”或“星”）。

人马座 A* 被认为是研究黑洞的最佳目标，这是因为黑洞广泛存在于宇宙中，每一个星系中心都会存在一个质量很大的黑洞，而人马座 A* 正是银河系中的超级黑洞，距离太阳 26,000 光年，质量为太阳的 400 多万倍，很有可能是离地球最近的超大质量黑洞。

实际上，科学家对黑洞的探索之路相当艰难，很大一部分原因是黑洞无法直接被观测到，因此科学家只能通过间接方式得知其存在、质量，及黑洞对其他事物的影响。

在人马座 A* 周围，存在一颗极其靠近它的恒星 S2（又称 S0–2），最近距离小于 200 亿公里（太阳与地球之间的距离的 120 倍）。而对这一恒星的研究意义重大，主要是因为：

观测其运动也可用于观测其他靠近人马座 A* 的天体——数千颗散布于 S2 轨道空间内的恒星及大量的恒星残骸（如恒星级黑洞、中子星、白矮星）；
S2 的轨道速度可达到光速的 3%（≈7650 公里/秒），围绕人马座 A* 转一圈只需 16 年，一名天文学家至少能在有生之年研究其完整的一圈运行，并且它也足够明亮，保证天文学家能够对它进行详细的测量。

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