天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)環(huán)繞銀河系中央黑洞 以光速8%疾馳的恒星

天文學(xué)家近日確認，在銀河系中心超大質(zhì)量黑洞人馬座 A*（Sagittarius A*，簡稱 Sgr A*）附近，一顆編號為 S301 的恒星正以超過光速 8% 的極端速度繞行，被認為是迄今觀測到“相對論效應(yīng)”最顯著的一顆恒星，為在極端引力環(huán)境下檢驗愛因斯坦廣義相對論以及其競爭理論提供了前所未有的天然實驗室。

廣義相對論是目前描述引力最精確的理論之一，但在絕大多數(shù)日常情景下，人們使用經(jīng)典的牛頓萬有引力定律已經(jīng)足以完成從航天器軌道設(shè)計到行星運動計算等任務(wù)。即便在銀河系中心，人馬座 A* 周圍大多數(shù)恒星的運動，也可以通過牛頓引力很好地加以描述。唯有在引力極強、速度極高的“極端條件”下，廣義相對論與其他引力理論才會出現(xiàn)可測量的差異，這也是物理學(xué)家一直努力尋找的宇宙實驗場。

新發(fā)現(xiàn)的恒星 S301 就是這樣一塊“試金石”。它是所謂“S 星族”（S-stars）中的第 301 號成員，略重于太陽，繞人馬座 A* 公轉(zhuǎn)一周僅需 8.7 年，是目前已知周期最短的一顆 S 星。S301 的軌道高度偏心，呈拉得很長的橢圓，在遠日點遠離黑洞，而在近日點則極度逼近銀河系中心的引力深淵。

研究顯示，S301 在軌道最近點時與人馬座 A* 的距離大約為其“半徑”的 140 倍，約合 24 個天文單位（1 個天文單位為地日距離）。如果用人馬座 A* 取代太陽放在太陽系中心，那么其事件視界大致位于現(xiàn)在的水星軌道附近，而 S301 在最近點時則相當于在木星和土星軌道之間掠過。這一位置上，它的軌道速度可超過光速的 8%，對于一顆類日恒星來說極為驚人。

正是這種極端軌道，使得 S301 成為目前觀測到“最相對論”的恒星。科研團隊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，S301 的軌道存在明顯的進動——即近日點在每一周軌道之后都會發(fā)生前移。軌道進動曾是檢驗廣義相對論的經(jīng)典實驗之一，例如水星的近日點進動，但在水星的情況下，牛頓力學(xué)與廣義相對論預(yù)測之差極其微小，每個軌道周期的偏差甚至不及一次心跳的時間。而在 S301 的案例中，其近日點每公轉(zhuǎn)一周大約會前移 2 度，這一幅度足以讓天文學(xué)家在觀測數(shù)據(jù)中清晰分辨。

在如此極端的引力環(huán)境中，第二、第三階的相對論效應(yīng)也開始顯現(xiàn)。例如，恒星發(fā)出的光會經(jīng)歷明顯的引力紅移，同時還會疊加橫向多普勒效應(yīng)等 relativistic 效應(yīng)。實驗室中，人類已經(jīng)在粒子物理和精密時間測量實驗中驗證過這些現(xiàn)象，而 S301 則提供了一個在天然宇宙環(huán)境中系統(tǒng)研究這些效應(yīng)的絕佳舞臺，更重要的是，它有望用來檢驗和區(qū)分各種“廣義相對論替代表”或統(tǒng)一引力與量子力學(xué)的新理論。

長期以來，廣義相對論與量子理論之間存在理論上的“難以兼容”。為統(tǒng)一兩者，物理學(xué)界提出了多種模型，但這些模型間的差異通常只在極端條件下才能顯露。例如，一些效應(yīng)的強度與

未來一代的大型地基望遠鏡，如巨型麥哲倫望遠鏡（GMT）等，有望以足夠高的光譜分辨率對 S301 的輻射進行精細測量，從而捕捉這些二階、三階相對論效應(yīng)留下的細微印記。這不僅有助于檢驗愛因斯坦理論在極端條件下的適用范圍，還可能為量子引力等更深層理論提供關(guān)鍵線索。

然而，要充分利用 S301 這座“天然實驗室”，觀測上仍面臨諸多挑戰(zhàn)。銀河系中心區(qū)域被大量氣體與塵埃遮蔽，致使可見光觀測幾乎無法直接透視，只能依賴紅外和其他波段。S301 本身是一顆類太陽恒星，其本身并不明亮，即便在紅外波段也不耀眼，這意味著目前的儀器只能較為可靠地追蹤其位置和運動軌跡，對于獲取高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)仍顯吃力。

盡管如此，天文學(xué)家相信，隨著望遠鏡口徑的增大和儀器靈敏度的提升，人類對 S301 的觀測精度將不斷提高。正如文章作者所言，“對于與相對論相關(guān)的一切，這只是時間問題”——S301 這顆在黑洞邊緣飛馳的恒星，或許將成為下一次引力理論重大突破的關(guān)鍵角色。