作者：ESO

翻译：王佳

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（有视频!）三十载磨一剑，首次观测到恒星绕黑洞的进动

声明：

根据Creative Commons Attribution 4.0 International License协议，编译自European Southern Observatory官方网站。

正文译自：https://www.eso.org/public/news/eso2006/

欧洲南方天文台的“甚大望远镜”（Very Large Telescope, VLT）进行的观测首次揭示出，一颗围绕银河系中心处超大质量黑洞转动的恒星，正如爱因斯坦的广义相对论所预测的那样运动。它的轨道形状像一朵玫瑰花，而不是牛顿引力理论所预测的椭圆。基于近30年越来越精确的测量，这一期待已久的结果才得以实现，这使得科学家们能够解开潜藏在我们星系中心的“巨兽”的秘密。

欧洲南方天文台的VLT观测到一颗恒星在银河系中心的超大质量黑洞周围“跳舞”。这颗恒星的轨道呈玫瑰花状，而不是椭圆。详细介绍见下方文章。（Credit:ESO）

Directed by: Herbert Zodet.
Editing: Herbert Zodet.
Web and technical support: Gurvan Bazin and Raquel Yumi Shida.
Written by: Caitlyn Buongiorno, Stephanie Rowlands and BárbaraFerreira.
Music: John Stanford – Deep Space (johnstanfordmusic.com).
Footage and photos: ESO, L. Calçada and Daniele Gasparri (www.astroatacama.com).
Scientific consultants: Paola Amico and Mariya Lyubenova.

“爱因斯坦的广义相对论预言，一个物体围绕另一个物体运动的轨道不再像牛顿引力预言的那样是封闭的，而是在运动平面上向前进动。这一著名效应——首次在水星围绕太阳的轨道中发现——是支持广义相对论的最早证据。一百年后的今天，我们在围绕着银河系中心致密射电源人马座A* 转动的恒星的运行轨道中发现了同样的效应。这一天文观测突破给予我们更有力的证据去相信：人马座A* 一定是一个超大质量黑洞，其质量是太阳的400万倍”，Reinhard Genzel这样说道。他是位于德国加兴的马克斯·普朗克地外物理研究所(MPE)的主任，也是做出这一成果的这个30年之久项目的缔造者。

距离太阳26 000光年，人马座A* 及其周围密集的恒星团为我们提供了一个独特的实验室，用来在一个从未被探索过的、极端引力环境中检验物理学。其中的一颗恒星——S2，掠向人马座A* ，最近处距离不超过200亿千米(太阳到地球距离的120倍)，它是迄今为止在围绕人马座A* 的轨道上发现的距离这一超大质量黑洞最近的恒星之一。在其轨道最靠近黑洞的时候，S2以接近光速3%的速度在太空中飞驰，每16年完成一次轨道运行。“在跟踪这颗恒星的轨道运行超过25年之后，我们敏锐的测量强有力地探测到S2围绕人马座A* 的轨道中的史瓦西进动”，马克斯·普朗克地外物理研究所的Stefan Gillessen这样说。他领导了这一观测结果（2020年4月16日发表于Astronomy & Astrophysics）的分析工作。

恒星的轨道非常接近银河系中心的超大质量黑洞。其中一颗名为S2的恒星每16年绕轨道转动一周，2018年5月，S2非常靠近黑洞。这是验证引力物理学，特别是爱因斯坦广义相对论的完美实验室。（Credit:ESO/L. Calçada/spaceengine.org）

大多数恒星和行星都有一个非圆轨道，因此在运动的不同阶段，它们会不断靠近或不断远离其围绕着的天体。S2的轨道进动意味着，它离超大质量黑洞最近点的位置会随着每一轮转动而改变，这样下一个轨道就会相对于前一个轨道转动，形成玫瑰花状。广义相对论能够精确地预测轨道如何变化，而这项研究的最新测量结果与理论完全吻合。这种被称作“史瓦西进动”的效应，以前从未在围绕超大质量黑洞运转的恒星上被观测到。

利用欧洲南方天文台的VLT进行的这项研究还有助于科学家更多地了解位于银河系中心的超大质量黑洞附近的情况。“由于对S2的测量如此好地遵循了广义相对论，我们可以对人马座A* 周围存在多少不可见物质比如分布的暗物质，或可能的小黑洞，给出严格限制。这对于理解超大质量黑洞的形成和演化具有重大意义”，该项目的法国首席科学家Guy Perrin和Karine Perraut说。

这一结果是S2恒星27年观测的顶峰，在绝大部分时间里，使用的是位于智利阿塔卡马沙漠的欧洲南方天文台VLT的一组仪器。标记恒星位置和速度的数据点的数量是这项新研究的彻底性和精确性的证据：研究团队使用GRAVITY、SINFONI和NACO仪器进行了总计330次测量。由于S2绕超大质量黑洞运转一周需要数年时间，因此，为了捕获到其运转轨道的复杂精微之处，跟踪这颗恒星长达近30年是至关重要的。

GRAVITY仪器（Credit:ESO/GRAVITY consortium）

SINFONI仪器（Credit:ESO）

NACO 仪器（Credit:ESO）

这项研究是由马克斯·普朗克地外物理研究所的Frank Eisenhauer领导，法国、葡萄牙、德国和欧洲南方天文台的科学家参与合作的国际团队来实施完成的。研究团队成立了 GRAVITY 合作组，得名于他们为VLT干涉仪而开发的仪器，该仪器将所有4个8米VLT望远镜的光合并成一个超级望远镜(分辨率相当于直径130米的望远镜)。研究团队在2018年报告了广义相对论预测的另一效应：当S2靠近人马座A* 通过时，他们接收到的来自S2的光，波长被拉得更长了。“我们之前的研究结果表明，S2恒星发出的光感受到了广义相对论。现在我们证明了，这颗恒星本身感受到了广义相对论效应”，葡萄牙天体物理与引力中心研究员、GRAVITY 合作组主要科学家之一Paulo Garcia说。

利用欧洲南方天文台即将建成的“极大望远镜”（Extremely Large Telescope，ELT），研究团队相信，他们将能够看到在离黑洞更近的轨道上运行的、更微弱的恒星。“如果幸运，我们可能会捕捉到足够接近黑洞的恒星，它们能感受到黑洞的旋转——自旋”，该项目的另一位首席科学家、科隆大学的 Andreas Eckart说。这意味着天文学家将能够测量出两个量：自旋和质量，是它们刻画了人马座A* ，并定义了其周围的空间和时间。“这将再次把相对论检验带到一个完全不同的层面”， Andreas Eckart说。

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