愛因斯坦又對了!恆星會像「萬花尺」般繞超質量黑洞轉

一顆名為S2的恆星在我們銀河系中心的超質量黑洞畫圈圈,它在最極端的環境中證明了廣義相對論的預測。綜合數十年的觀測數據,天文學家展現了S2的軌道不是固定的橢圓形,而軌道會偏移,像萬花尺一樣旋轉,這種現象叫做「史瓦西進動(Schwarzschild precession)」。這是首次史瓦西進動在超質量黑洞周圍被發現,這展現了即使在引力最極端的環境中觀察恆星軌道時,它仍然成立。此外,廣義相對論方程式可用於精確預測軌道變化,這些計算與S2的觀測值精確符合。

馬克斯普朗克外星物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics,MPE)的天體物理學家與GRAVITY Collaboration的成員Reinhard Genzel表示:「愛因斯坦的廣義相對論預測,一個物體圍繞另一個物體的束縛軌道不會像牛頓引力那樣封閉,而是在平面運動中進動前進。這種著名的效應,首次在水星繞太陽旋轉的軌道上看見,這是第一個支持廣義相對論的證據。一百年後,我們現在在S2恆星以每16年長橢圓軌道繞人馬座A *的圈圈運動中發現了相同的效應,最接近的點或遠星點(periastron),只距離黑洞17光時以內,這是從太陽到海王星距離的4倍多。」

這聽起來可能很遠,但是當你面對的是像人馬座A *如此大質量的黑洞時,它是非常接近的,黑洞的引力使恆星旋轉時的速度高達光速的3%。 它是銀河系中心軌道最靠近的恆星之一。

這不是S2的第一次驗證了相對論。 自1990年代以來,天文學家一直在密切注視著這顆恆星。 在2018年,GRAVITY Collaboration宣布S2接近人馬座A *時光線的伸展方式證實了廣義相對論在迄今為止最極端測試中預測的效果。 第二年,第二個團隊用他們自己的論文證實了這些結果,該論文使用了獨立的觀察結果集。現在,GRAVITY Collaboration已使用從1992年到2019年底的觀測數據進行了330多次的測量,以查看觀測到的進動是否與廣義相對論的預測相符,而確實是如此。

馬克斯普朗克外星物理研究所的天體物理學家Stefan Gillessen表示:「在追蹤這顆恆星超過二十年半之後,我們的精確測量結果能夠可靠地發現S2在人馬座A *周圍路徑中的Schwarzschild進動。」

但這還不是全部。 為了計算S2的進動,人馬座A *需要精確的質量。 到目前為止,證據指出它的質量約為太陽質量的400萬倍。 為了符合所觀測的軌道,相對論方程式也需要約400萬倍太陽的質量。這再次證明了人馬座A *的質量。 而且它還允許天文學家研究軌道周圍的太空。 例如,如果附近有另一個質量較大的物體(例如中等質量的黑洞),它會影響到軌道。 找不到這些軌道影響表示我們可以設限銀河系中心的活動。

法國巴黎天文台與格瑞諾布天文台的天體物理學家Guy Perrin和Karine Perraut表示:「由於S2的測量結果很好地遵循了廣義相對論,因此我們可以對人馬座A *周圍存在多少不可見物質(例如分佈的暗物質或可能存在的較小黑洞)進行嚴格的設限。這對於理解超質量黑洞的形成和演化很有幫助。」

而所有這一切都只來自一顆恆星,是不是太美妙了。

參考資料: Astronomy & Astrophysics

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