銀河系最快恆星 S301，或將幫助測出銀心黑洞的自旋
我們都知道，在銀河系正中央，距離地球約2.7萬光年的地方，藏着一個質量相當於430萬個太陽的龐然大物——人馬座 A*（Sagittarius A*）。它是離地球最近的超大質量黑洞，也是目前最適合通過逐顆追蹤恆星軌道來研究的超大質量黑洞。
圖 1：歐洲南方天文臺甚大望遠鏡拍攝的銀河系中心。畫面中密集分佈着恆星和氣體，中央隱藏着距離地球約 2.7 萬光年的超大質量黑洞人馬座 A*，周圍天體正以極高速度運動。版權: ESO/D. Ribeiro/MPE銀河系中心團隊
過去三十年，天文學家在它周圍發現了幾十顆“S星”（ S代表source或者star）。2026年8月，由德國馬普地外物理研究所（Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics）牽頭的 GRAVITY 合作組在《自然》雜誌上宣佈發現新成員 S301。它繞黑洞一週只需 8.7 年，此前的紀錄是 S55 保持的 12 年。其軌道扁得像一根被拉長的橡皮筋，每次衝向近心點，也就是離黑洞最近的位置時，速度會達到每秒約 2.5 萬公里，相當於光速的 8.5%。這使得 S301 成爲目前已知銀河系中軌道速度最快的恆星。但它真正重要的地方，不只是快，而是近。
從S2到S301：靠近十倍意味着什麼
要理解S301，得先說一下S2。它每16年繞人馬座A* 一週。從上世紀90年代起，萊因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）和安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）帶領的團隊持續追蹤S2等恆星，通過它們精確測量出了銀河系中心緻密天體的質量，併爲那裏存在超大質量黑洞提供了關鍵證據。兩位天文學家也因“發現銀河系中心的超大質量緻密天體（嚴謹說法）”分享了2020年諾貝爾物理學獎的一半（另一半授予英國物理學家羅傑·彭羅斯）。
S2最靠近黑洞時，距離約爲1400個史瓦西半徑（即無自旋黑洞的“事件視界”半徑，代表光都無法逃出的邊界）；而S301只有136至142個，近了整整十倍。這是什麼概念呢？也就約等於土星到太陽的距離，可以說非常近了。而黑洞自旋對時空的影響，會隨距離迅速減弱。過去在S2 軌道上幾乎無法分辨的信號，到了S301這裏，纔有望進入可測範圍。
時空的兩重扭曲
在牛頓引力描繪的理想二體系統裏，恆星會沿着同一條閉合橢圓反覆運行。但在廣義相對論中，黑洞會彎曲周圍時空，恆星每跑完一圈，橢圓軌道的方向都會向前轉動一點。許多圈疊在一起，軌道就像一朵慢慢打開的花。這種現象叫史瓦西進動（Schwarzschild precession）。即使黑洞完全不旋轉，它也會發生，主要反映黑洞質量造成的時空彎曲。水星近日點每百年多出的43角秒，是廣義相對論最早也最著名的證據之一。S2每圈的史瓦西進動約爲12角分；S301則接近2度，大約是S2的十倍。
圖 2：史瓦西進動概念圖。描繪的是恆星S2繞人馬座A* 的運動軌跡。版權：ESO/L. Calçada
如果黑洞還在旋轉，事情會再多一層。旋轉黑洞不僅讓時空“凹下去”，還會像勺子攪動蜂蜜一樣，拖着附近時空一起打旋。恆星在其中運動，整個軌道平面也會被輕輕擰動。這就是倫斯—蒂林進動（Lense–Thirring precession），也叫“參考系拖曳”。
圖 3: 旋轉的黑洞會拖動周圍的時空，這種現象被稱爲倫斯—蒂林效應。恆星如果足夠靠近黑洞，其軌道便會出現微小的額外偏轉，長期精確觀測這種變化，有望測量黑洞的自旋。版權: ESO/Kornmesser
這正是它與自旋相關的原因：不旋轉的黑洞也會讓時空彎曲，旋轉的黑洞還會拖動時空（讓時空“扭曲”）。自旋造成的軌道變化更微弱，而且它隨距離衰減得比史瓦西進動更快。只有像S301這樣貼得足夠近的恆星，纔可能顯露這道痕跡。如果人馬座A* 轉得很快，而且自轉軸的朝向恰好能讓這種影響明顯表現出來，S301每繞一圈，軌道方向就可能因此多偏約0.1度。這個微小差別，已經有望被現有和下一代儀器測到。
人馬座A* 到底轉得多快
黑洞沒有實體表面，所以“轉得多快”不是每秒轉多少圈。天文學家通常用一個與角動量有關的、從0到1的無量綱參數來表示自旋強弱：0代表不旋轉，1代表理論極限。它決定了黑洞周圍時空扭曲的程度。
人馬座A* 究竟轉得多快，目前沒有公認答案。有人根據黑洞外流反推出約0.9，意味着它可能轉得很快；事件視界望遠鏡的一些模型也偏向中高自旋。另有研究在特定假設下，把自旋上限壓到0.1以下。結果差別如此之大，是因爲這些方法分別依賴對氣體、磁場、外流和恆星分佈的不同假設。
這篇《自然》論文也沒有測出它的自旋。論文圖中的數值來自對未來觀測的模擬，並不是當前實測結果。S301的價值，在於提供一種更直接的辦法：不再主要根據黑洞周圍氣體怎樣發光來反推，而是看旋轉的時空怎樣改變一顆恆星的軌道。
在2.7萬光年外追蹤S301
S301的亮度只有S2的百分之一左右。它很可能只是一顆質量與太陽相差不大的普通主序星，放在太陽附近並不起眼，到了銀河系中心，卻成了一枚寶貴的“試驗粒子”。
要在塵埃密佈、羣星擁擠的銀河系中心找到它，靠的是歐洲南方天文臺甚大望遠鏡（Very Large Telescope）干涉儀上的 GRAVITY。它把四臺8米望遠鏡接收到的光組合起來，獲得遠高於單臺望遠鏡的分辨能力，並能測出極其細微的位置變化。
圖 4：智利帕拉納爾天文臺的四臺8米級望遠鏡同時發射激光，在約90公里高空形成“人工導星”，用來校正大氣擾動造成的圖像模糊。這是甚大望遠鏡干涉儀和 GRAVITY+ 升級的重要一步，將顯著提升其觀測能力。照片拍攝於接近滿月的夜晚，左側可見月亮。版權：ESO/A. Berdeu
2023年春天，團隊在人馬座A* 附近注意到一個移動迅速、路徑彎曲的微弱光點。他們先擬合出初步軌道，再回到舊資料中尋找它過去應該出現的位置，最終在2021年和2017年的數據裏都找到了蹤跡。前後19個位置點，跨越八年多，勾勒出一條彼此吻合的橢圓軌道。
這些軌道扭曲不是在照片上直接“看”出來的，而是通過多年測量“算”出來的：把恆星不同時刻的位置放進不同的引力模型，看哪一種能同時解釋全部數據。目前 S301 沿視線方向的速度還沒有測到，它的三維軌道仍有兩種鏡像解，這也是眼下還無法測量自旋的原因之一。
圖5：這組由 GRAVITY 儀器拍攝的圖像序列，顯示一顆名爲S301的恆星比任何其他已知恆星都更接近黑洞。下面的小圓圈以海王星（Neptune）的軌道大小作爲對比。版權:ESO/GRAVITY合作團隊
爲什麼還要再等十年
S301雖快，跑完一圈仍需8.7年，而且自旋的影響主要集中在它最接近黑洞的那段時間。它上一次經過近心點是在2023年，下一次大約在2031年前後。天文學家需要守住這次關鍵掠過，把新一圈軌道與此前數據比較，並扣除史瓦西進動及附近暗天體的擾動，纔可能從接近2度的主要偏轉中，分離出最多約0.1度的自旋信號。
因此，“十年”不是物理學規定的最低年限，而是爲了覆蓋下一次近心點通過並積累足夠數據，目前較現實的時間尺度。論文模擬顯示，如果持續觀測到2035年前後，並利用歐洲南方天文臺的極大望遠鏡（Extremely Large Telescope）上的MICADO儀器補上視線方向的速度，在黑洞轉得較快、方向有利的情況下，研究人員有望測出自旋大小和方向。這仍是對未來能力的預測。
測出自旋意味着什麼
在廣義相對論中，一個穩定、孤立的黑洞，其外部性質可以由質量、自旋和電荷來描述。天體物理黑洞通常幾乎不帶電，因此最重要的是質量和自旋。人馬座A* 的質量已經測得很精確，自旋卻仍沒有公認的直接結果。S301若成功補上這一項，將讓我們更完整地認識這顆最近的超大質量黑洞。
自旋還保留着黑洞成長方式的線索：它是長期吞入方向相近的物質，逐漸越轉越快，還是經歷過方向雜亂的吸積與併合，使旋轉不斷被削弱？不同道路，可能留下不同的自旋。
更重要的是，這項測量將把廣義相對論的檢驗，從“質量怎樣彎曲時空”推進到“旋轉黑洞怎樣拖動（扭曲）時空”。參考系拖曳已在地球附近得到驗證（地球自轉拖曳周圍時空，導致衛星軌道和陀螺儀自轉軸發生微小進動）；S301則有望把這種檢驗帶到超大質量黑洞近旁的強引力環境。
研究者還推測，S301極端的偏心軌道可能來自“希爾斯機制”：一對緊密雙星闖入黑洞的潮汐範圍後被撕開，一顆被俘獲，另一顆則被高速拋向星系邊緣。兩萬七千年前，S301發出的微弱紅外光從銀河系中心啓程。今天，我們把這些光拼成一條軌道。未來十年，人類等待的不是它簡單回到原處，而是看它會不會比不旋轉黑洞的理論預期多偏那麼一點點。正是那一點點，可能第一次告訴我們：銀河系中心那個看不見的龐然大物，究竟轉得有多快。
策劃製作
作者丨苟利軍 中國科學院國家天文臺研究員
審覈丨韓文標 中國科學院上海天文臺研究員
策劃丨高佩雯 江帆
責編丨劉曉璐
