圍繞黑洞運行的恒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的恒星后證明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(xiàn)象，即軌道像螺旋圖一樣旋轉(zhuǎn)，很好地遵循了廣義相對論。
圖源：everyeye
正文：
S2是一顆恒星，它繞著銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞運行。近期，研究人員通過觀測S2，在人們能夠監(jiān)測的最極端環(huán)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(jié)合幾十年的觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)S2的運行軌道并非固定不變的橢圓，而是類似玫瑰曲線的形狀——這種現(xiàn)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(zhì)量黑洞周圍觀測到施瓦西進動現(xiàn)象，表明廣義相對論也適用于最極端引力環(huán)境下的恒星運行軌道。此外，廣義相對論方程也可用于準確預測軌道變化——S2運行軌道的計算結(jié)果與觀測結(jié)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運行的軌道并不是像牛頓引力理論那樣的閉合曲線，而是在運動平面內(nèi)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(jié)合在一起，形成相當于130米口徑角分辨率和200平方米收集面積的望遠鏡。圖源：ESO
“人們通過監(jiān)測水星繞行太陽的運行軌道首次觀察到了這一著名的現(xiàn)象，這是支持廣義相對論成立的首個證據(jù)。百年之后，我們又通過觀察銀河系中心圍繞致密射電源人馬座A*運行的恒星軌道，發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。”
水星色彩強化圖。圖源：wallup
S2圍繞人馬座 A*運行的軌道呈長橢圓形，運行周期16年。當它運行到近星點時，距離黑洞不到17光時，相當于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。并且黑洞的引力作用能將掠過它周圍的恒星加速到接近3%的光速。S2是銀河系中心運行軌道距離最近的恒星之一。
人馬座A*（Sagittarius A*，簡寫為Sgr A*，星號*讀作“star”或“星”）是位于銀河系銀心一個非常光亮及致密的無線電波源，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，因此也被認為是研究黑洞物理的最佳目標。圖源：Wikipedia
這并不是人們首次通過觀察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(guān)注這顆恒星。2018 年，GRAVITY團隊宣布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(huán)境。第二年，另一個團隊用他們自己的論文驗證了這些結(jié)果，該論文使用的是一組獨立觀察數(shù)據(jù)。
GRAVITY團隊當前使用的330多個測量值涵蓋了從1992年到2019年底的觀測數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)來驗證觀測到的進動是否與廣義相對論預測相符。結(jié)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：“在追蹤觀察恒星S2運行軌道超過二十五年之后，我們通過精密測量發(fā)現(xiàn)的證據(jù)有力地證實了S2圍繞人馬座 A*運行軌道存在施瓦西進動現(xiàn)象。”
除此之外，要計算S2的進動，還需獲得人馬座 A*精確質(zhì)量。現(xiàn)有證據(jù)表明它的質(zhì)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(zhì)量參數(shù)恰好為太陽質(zhì)量的400萬倍左右。
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，估計質(zhì)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(zhì)量黑洞是黑洞的一種，其質(zhì)量是太陽質(zhì)量的105至109倍（1035至1039千克）?，F(xiàn)時一般相信，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。資料來源：Wikipedia
這一發(fā)現(xiàn)再次確認了人馬座A*的質(zhì)量。天文學家還可以借此來研究軌道周圍的空間。如果附近存在另一個大質(zhì)量天體，例如中等質(zhì)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爾天文臺，兩人指出：“S2測量結(jié)果很好地遵循了廣義相對論，我們借此可以嚴格限定人馬座 A*周圍存在的不可見物質(zhì)的范圍，例如暗物質(zhì)或較小黑洞。這對于理解超大質(zhì)量黑洞的形成和演化具有重要意義?！?/span>
從引力透鏡產(chǎn)生的效應，星系團CL0024+17內(nèi)部被發(fā)現(xiàn)存在有一個暗物質(zhì)圈，在這張哈勃太空望遠鏡像片里以藍色顯示出來。（在宇宙學中，暗物質(zhì)Dark Matter是指不與電磁力產(chǎn)生作用的物質(zhì)，也就是不會吸收、反射或發(fā)出光。人們目前只能透過重力產(chǎn)生的效應得知，而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)宇宙中有大量暗物質(zhì)的存在。）資料來源：Wikipedia
僅僅一顆恒星就能給我們傳遞這么多信息。天文學就是如此奇妙。
該研究已發(fā)表在《天文學與天體物理學》上。
BY: MICHELLE STARR
FY: I
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參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3.原文來自：https://www.sciencealert.com/a-star-dancing-around-a-supermassive-black-hole-is-another-win-for-relativity
本文由天文志愿文章組- I翻譯自文章作者MICHELLE STARR的作品，如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除。
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