S301——这颗恒星让天文学家第一次有机会直接"称"黑洞的转速

8 月 19 日,《自然》在线发表了 GRAVITY+ 合作组的论文"Discovery of a star sensitive to the spin of Sgr A*"(DOI: 10.1038/s41586-026-10894-w)。第一作者 Felix Mang,德国马克斯·普朗克地外物理研究所(MPE)博士生;项目核心研究员 Stefan Gillessen 同为 MPE;通讯作者之一 Reinhard Genzel——2020 年因发现人马座 A* 与美国科学家 Andrea Ghez 共获诺贝尔物理学奖。

论文主角是一颗被命名为 S301 的恒星。它围绕银河系中心超大质量黑洞人马座 A* 高速运行,峰值速度约 25,000 公里/秒——光速的 8% 以上,商用客机速度的 10 万倍。沿椭圆形轨道公转一周只要 8.7 年。近心点时距离黑洞约 12 个天文单位,大致相当于土星到太阳的距离——是迄今人类观测到的距离 Sgr A* 最近的恒星。

S301 比天狼星暗约 20 亿倍。在 ESO 甚大望远镜干涉仪(VLTI)与 GRAVITY+ 仪器的联合观测下,2023 年春天才首次捕捉到它的光,之后团队把它的轨道数据追溯到 2017 年。

为什么这颗恒星值得专门等 10 年

人马座 A* 距离太阳系约 2.7 万光年,质量超过太阳的 400 万倍。即使处于沉寂状态,它的引力也强到能吞噬任何过于靠近的恒星。但长期以来,天文学家只能"间接"推断它的存在——通过观测周围恒星的轨道反推中心天体的质量。Genzel 与 Ghez 因此获得 2020 年诺贝尔物理学奖。

但质量只是黑洞的"第一个参数"。根据爱因斯坦广义相对论,自旋的黑洞会拖拽周围时空,使其扭曲,从而影响近邻天体的运行轨道。问题是:这种效应只在"近距离+快速自旋"两个条件同时满足时才显著显现,而此前人类能追踪的恒星要么太远,要么太慢。

S301 同时满足两个条件。Gillessen 给出的判断很直接:"S301 是迄今已知的、第一颗可以用来直接测量大质量黑洞自旋的恒星。"

怎么从一颗恒星的轨道,读出黑洞的自旋

原理其实不复杂。如果 Sgr A* 没有自旋,S301 的轨道就是一条干净的椭圆;如果 Sgr A* 高速自旋,黑洞会"拽"周围的时空一起转,这种"参考系拖曳"(frame-dragging)会让 S301 的轨道面发生进动——最近几次经过近心点时,轨道的朝向会有微小但可测量的旋转。

MPE 博士生、论文第一作者 Felix Mang 的原话:"S301 让我们有机会在接下来 10 年内测出这个黑洞的自旋。"

Genzel 的补充更带一点温度:"每次 S301 经过人马座 A* 附近,它的轨道都会因黑洞影响而略有改变。再用整整 10 年观测这种轨道变化,我们应该能直接测定这个黑洞的自旋。这种测量前所未闻。"

预计 S301 将于 2031 年再一次到达距离 Sgr A* 最近的点。届时,团队将综合 GRAVITY+ 与下一代仪器——ESO 极大望远镜(ELT)上的 MICADO 仪器——的观测数据,把两个完整轨道周期内的轨迹精确锁定下来。

它原本是个"被撕碎的伙伴"

为什么一颗恒星能出现在距离黑洞如此之近的地方?恒星不可能在黑洞附近自然形成。团队的推断是:S301 原本属于一对双星,当这对双星过于靠近 Sgr A* 时,黑洞的潮汐力把两颗恒星撕开——一颗被甩出银河系(速度可能高到足以逃离银河系),另一颗被黑洞引力捕获,困在当前的椭圆轨道上,就是今天的 S301。

Juan Osorno(LIRA Observatoire de Paris–PSL)对此评价很形象:"没有 S301 的话,我们还需要再观测其他恒星几十年,才有可能接近测出黑洞自旋的目标。"

这项工作的真正赌注:验证广义相对论

爱因斯坦广义相对论 1915 年提出,过去 100 年通过了几乎所有检验——引力红移、光线弯曲、引力波、双中子星并合产生的千新星——但黑洞自旋产生的参考系拖曳效应,一直缺乏足够干净的实验数据。

之前最接近的一次尝试是 2004 年 Gravity Probe B,测的是地球附近的参考系拖曳,精度有限且受到争议。S301 给出的机会不同:Sgr A* 是真正的超大质量黑洞,S301 在近心点时的轨道行为,几乎完全由黑洞自旋主导——这是目前精度最高的"实验室"。

如果 10 年后团队成功测出 Sgr A* 的自旋速度,这个数字本身就直接检验 GR:如果实测值与广义相对论预言一致,我们就拿到了"宇宙最极端引力环境"对 GR 的又一张赞成票;如果不一致,要么是 GR 需要修正,要么是黑洞附近存在目前未知的物理。

接下来 12 个月,我们能期待什么

短期看,S301 的轨道数据会继续累积。MPE 团队联合巴黎天文台 LIRA、IPAG、FEUP、CENTRA 等多个机构正在用 GRAVITY+ 做常规跟踪观测;ELT 预计 2030 年前后投入运行,MICADO 上线后会把干涉测量精度再上一个台阶。

更宏观的进展在两条平行轨道:

• JWST 的"小红点"问题。8 月 12 日,MIT 的 Rohan Naidu 在 Nature 发表 MoM-BH*-1 的研究——一种新的"黑洞星"候选体,亮度是普通恒星的 1,000 亿倍,中心是 10 万倍太阳质量的超大质量黑洞,被一团太阳系大小的稠密氢气包裹。如果这种天体在大爆炸后 6.6 亿年就已经存在,超大质量黑洞的"种子"形成机制就需要重写——这与 S301 测量的"成熟黑洞自旋"形成端到端的闭环。
• Sgr A 的"图像"*。事件视界望远镜(EHT)2022 年首次发布了银河系中心黑洞的影像,目前正在升级到 ngEHT,目标是把图像清晰度推到能分辨参考系拖曳效应的程度。S301 的动力学测量与 ngEHT 的成像测量,将是 2030 年代检验 GR 的两套独立数据。

2031 年 S301 下一次近心点,会成为下一个十年天文学最重要的观测窗口之一。Mang 的结语很平实:"那将是梦想成真的时刻。"

参考来源:Nature 论文 DOI 10.1038/s41586-026-10894-w、ESO 新闻稿 eso2612、MPE 新闻稿、《自然》新闻同步报道、新华社、《卫报》、Space.com。