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天文學家印證繞銀河系中心黑洞運動的S2恆星的史瓦西旋進



甚大望遠鏡(VLT)對銀河系中心的巨大黑洞(人馬座A*)展開了長達27 年的間接觀測,因其對相伴運行的多顆恆星發揮著巨大的引力效應,尤其是本文要為大家介紹的S2 。近日,歐洲南方天文台(ESO)的一支國際天文合作團隊得出了一個結論 —— 愛因斯坦又一次對了!

天文學家印證繞銀河系中心黑洞運動的S2恆星的史瓦西旋進 1

(圖自:ESO / L. Calçada)

像黑洞這樣巨大、緻密的物體,其引力會對周圍的空間造成扭曲。當科學家在 2019 年尋找黑洞的真面目時,愛因斯坦早就預見到了這樣的可能。

週四發表在《天文與天體物理學》期刊上的這篇論文,詳細介紹了研究團隊是如何借助 ESO 的甚大望遠鏡,對 S2 展開持續 27 年的運動觀測的。

這台位於智利阿塔卡馬沙漠的全能宇宙望遠鏡,能夠通過這種間接的方式,對銀河系中心的超大質量黑洞展開觀測。

其軌道位天文學家提供了自然的實驗環境,以驗證愛因斯坦的相對論 —— 該理論描述了空間、時間、引力的相互作用。

據悉,S2 每 16 年繞人馬座 A* 擺動一次,且與黑洞保持著(天文尺度上)相當舒適的約 125 億英里(200 億公里)距離 —— 相當於冥王星與太陽距離的四倍。

即便如此,超大質量黑洞的引力,依然讓 S2 一次又一次地迴旋。直到第 27 個年頭,ESO 天文學家才完成了針對該恆星位置和速度的 330 次測量。

馬克斯·普朗克外星物理研究所的天文學家 Stefan Gillessen 在新聞稿中寫道 ——

在對恆星運動展開了持續 25 年半的追踪之後,我們的精確測量結果才能夠可靠地反映 S2 在人馬座 A* 周圍路徑中的史瓦西旋進。

事實上,ESO 團隊的工作,也是業界首次對圍繞銀河系黑洞的恆星展開此類運動觀測。不過在理論層面,依然是以愛因斯坦的研究成果位主導。

所謂史瓦西旋進(Schwarzchild Precession),正是其理論預測的一種軌道。特指一個宇宙物體在受到極大的引力和時空扭曲,而在形似玫瑰花結的歸繞上繞另一個軌道漂移。

我們可以將之想像成一個鐘面,而黑洞正是這個時鐘的中心。為便於理解,我們可以先將 S2 的初始位置放在 1 點鐘方向的上方。

當它擺動到時鐘的中心並繞過黑洞時,強大的引力和時空曲率將使其軌道有所漂移。在回到鐘面的邊緣時,你會發現它已經擺動到了 2 點鐘的方向上。

展望未來,科學家們有望在五年後的又一輪天文觀測競賽中看到更暗、更接近黑洞的恆星,為證實愛因斯坦的理論而提供另一次機會。

科隆大學天體物理學家、論文合著者 Andreas Eckart 表示:“如果觀測到足夠接近黑洞的恆星,我們甚至能夠感受到黑洞的自旋,從而將相對論的驗證研究抬升到全新的水平”。