一颗恒星以8％光速绕银河系黑洞飞驰

发布者：春天来临 2026-8-2 10:09

一颗类日恒星近距离掠过超大质量黑洞的示意图。图片来源：欧洲南方天文台（ESO）、欧洲空间局哈勃望远镜（ESAHubble）、M.Kornmesser

银河系中心黑洞附近的一颗快速移动的恒星可以在异常极端的条件下测试引力。

广义相对论对引力的描述异常精确，但大多数日常计算并不需要它。牛顿的万有引力定律足够精确，足以引导航天器穿越太阳系，并描述环绕银河系中心超大质量黑洞人马座A运行的大多数恒星的运动。

爱因斯坦的理论预测了牛顿理论所没有的效应，包括引力波，但这两种模型在许多情况下产生的结果几乎相同。区分广义相对论与其他相对论性引力理论则更加困难，因为它们的预测仅在极端条件下才会有所不同。最近发现的一颗恒星可能提供了一个测试这些边界的罕见机会。

一颗恒星进入引力的极端状态

这颗恒星被称为S301，因为它是S星群中第301个被确认的成员，该星群围绕人马座A运行。S301的质量略大于太阳，每8.7年完成一次轨道运行，这是已知所有S星中最短的周期，并且它沿着一条高度拉长的轨道运行。

最接近时，它会经过大约140个SagA半径的范围，相当于约24天文单位。如果SagA取代太阳，其事件视界将刚好位于水星轨道内侧，而S301在最接近时会在天王星和海王星的轨道之间运行。此时，这颗恒星的速度将达到光速的8%以上。

它的轨道放大了相对论效应

这使得S301成为我们观测到的相对论效应最显著的恒星。它将让我们能够测试广义相对论的一些极限。例如，我们已经观测到S301的轨道发生了进动。我们在水星的运动中也观测到了轨道进动。

这是广义相对论的经典检验之一。但水星的进动非常微小。爱因斯坦的预测与牛顿理论在运动上的差异，每绕轨道一周都小于一次人类心跳的时长。对于S301来说，其近日点每绕轨道一周大约前进2度。

恒星S301的观测轨道。来源：Dayem等人。

这种运动极为剧烈，以至于次级相对论效应开始显现。例如引力红移和横向多普勒效应。我们已经在实验室中观测到这些效应，但S301为我们提供了在自然界中研究它们的机会。但更重要的是，假以时日，我们可以利用S301来研究广义相对论的替代理论。

未来的望远镜可以检验更深入的理论

广义相对论的一大难题是它无法与量子理论很好地兼容。有几种模型试图将两者统一起来，但它们仅在极端情况下与广义相对论存在差异。其中一些差异可能在相对论速度下被观测到，因为这些效应的量级为(vc)²或(vc)³。

黑洞自旋的影响及其与恒星自转的相互作用也在这些数量级上发挥作用。未来的大型望远镜（如巨型麦哲伦望远镜）将能够以足够的精度观测S301的光谱，从而测量二阶和三阶效应。

不过目前，观测S301仍然是一个挑战。银河系中心被云团和尘埃所遮蔽，这意味着我们无法用光学光线观测它。由于S301是一颗类太阳恒星，它即使在红外线下也不是特别明亮。我们可以观测它的运动，但还无法收集到任何有意义的光谱数据。

但就像相对论中的所有情况一样，这只是时间问题。

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改编自最初发表于《今日宇宙》的一篇文章。