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人类首次发现恒星在超大质量黑洞周围“舞动”!这花式走位正如爱因斯坦所料

本文作者:付静 2020-04-17 18:16
导语:经过近 30 年 330 余次的测量,广义相对论再次得到验证。

在近 30 年的追踪观测之后,科学家再次验证了广义相对论的预测。

1916 年,爱因斯坦发表广义相对论,预言围绕银河系中心超大质量黑洞运行的恒星的运转轨迹就像玫瑰花结一样。

人类首次发现恒星在超大质量黑洞周围“舞动”!这花式走位正如爱因斯坦所料

是不是想起了童年玩过的万花尺?

人类首次发现恒星在超大质量黑洞周围“舞动”!这花式走位正如爱因斯坦所料

约 30 年前,天文学家开始对一颗绕银河系中心黑洞人马座 A * 轨道运行的恒星 S2 进行持续的观测工作。在获得了 330 次恒星位置、速度的数据后,确定了 S2 在人马座 A * 周围的花式走位,再次证明了广义相对论预测的正确性。

当地时间 2020 年 4 月 16 日,相关研究成果在线发表于《天体学与天体物理学》(Astronomy & Astrophysics)期刊,题为 Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole(星系中心大质量黑洞附近恒星 S2 轨道中史瓦西进动的探测)。

史瓦西进动

1687 年,被一颗苹果砸中的牛顿在《自然哲学的数学原理》上发表了著名的万有引力定律。

此后,人们便知道了,任何一个有质量的物体都具有引力,所以任何两个物体都会相互吸引。而正是因为这种叫做「引力」的东西的存在,宇宙间大大小小的系统都能在一种极度稳定的状态下有序运行。那么顺着牛顿的这一思路,恒星的运转轨道应该类似于椭圆形。

所谓实践出真知,随着天文学不断发展,当人们开始用万有引力定律计算位于超大质量天体附近的星体运行轨道,却发现得到的计算结果与实际观测的数据相去甚远。

1859 年,曾发现并命名海王星、名字被刻上巴黎埃菲尔铁塔的著名法国天文学家勒威耶就发现,水星近日点进动的观测值比根据牛顿万有引力定律算得的理论值每世纪快 38"。

人类首次发现恒星在超大质量黑洞周围“舞动”!这花式走位正如爱因斯坦所料

于是,一个更接近“真理”的预测问世——1915 年,爱因斯坦完成了其广义相对论的基础,并于次年正式发表。

在广义相对论中,爱因斯坦刷新了人们的认知(并不是颠覆万有引力定律,而是进一步发展)。爱因斯坦认为,我们不能把引力理解为是一种力,确切的来说,应该被称为「时空曲率」(The curvature of spacetime)。

简单来讲,物体的质量决定了时空的性质,物体质量的分布状况会使得时空弯曲。那么,遇到较大质量的天体,光线的路线也会变得弯曲(可以脑补一下放在软床上的重球使床面弯曲的画面)。

具体到天体的运转轨迹,恒星在走完一圈椭圆后,下一圈会出现一定的偏差,最终恒星的轨迹就会形成一朵玫瑰花的样子,而这个现象也有一个学名——史瓦西进动(Schwarzschild precession)。

人马座 A* 与恒星 S2

在拉丁语中,Sagittarius 意为“持箭者”,意译过来就是十二星座里面的射手座。在希腊神话中,这位射手是箭头指向西面一只蝎子(天蝎座)的半人马族智者喀戎,因此有些地方也会把射手座称为人马座。

1974 年, 天文学家发现了一个超大质量黑洞「人马座 A*」(Sagittarius A*,Sgr A*,* 代表“star”或“星”)。

人马座 A* 被认为是研究黑洞的最佳目标,这是因为黑洞广泛存在于宇宙中,每一个星系中心都会存在一个质量很大的黑洞,而人马座 A* 正是银河系中的超级黑洞,距离太阳 26,000 光年,质量为太阳的 400 多万倍,很有可能是离地球最近的超大质量黑洞。

实际上,科学家对黑洞的探索之路相当艰难,很大一部分原因是黑洞无法直接被观测到,因此科学家只能通过间接方式得知其存在、质量,及黑洞对其他事物的影响。

在人马座 A* 周围,存在一颗极其靠近它的恒星 S2(又称 S0–2),最近距离小于 200 亿公里(太阳与地球之间的距离的 120 倍)。而对这一恒星的研究意义重大,主要是因为:

  • 观测其运动也可用于观测其他靠近人马座 A* 的天体——数千颗散布于 S2 轨道空间内的恒星及大量的恒星残骸(如恒星级黑洞、中子星、白矮星);

  • S2 的轨道速度可达到光速的 3%(≈7650 公里/秒),围绕人马座 A* 转一圈只需 16 年,一名天文学家至少能在有生之年研究其完整的一圈运行,并且它也足够明亮,保证天文学家能够对它进行详细的测量。

人类首次发现恒星在超大质量黑洞周围“舞动”!这花式走位正如爱因斯坦所料

近 30 年的 330 次观测

1992 年起,包括加州大学洛杉矶分校、德国慕尼黑马克斯-普朗克太空物理学研究所、欧洲南方天文台等在内的众多知名研究团队便开始了对 S2 的监测。

在观测过程中,欧洲南方天文台利用到了一个工具——「甚大望远镜」(Very Large Telescope,VLT)。

人类首次发现恒星在超大质量黑洞周围“舞动”!这花式走位正如爱因斯坦所料

VLT 位于智利帕瑞纳天文台,是一种大型光学望远镜,由 4 台口径 8.2 米的望远镜组成。这 4 台望远镜既可单独使用,也可组成具有相当于口径 16 米的望远镜的聚光能力和口径 130 米的望远镜的角分辨能力的光学干涉仪,进行高分辨率观测。

雷锋网了解到,VLT 于 2012 年全部建成开始工作,其主要任务为搜索太阳系旁邻近恒星的行星、研究星云内恒星的诞生、观察活跃星系核内可能隐藏的黑洞,及探索宇宙的边缘等。

除 VLT 外,研究团队还利用 GRAVITY(可给出非常清晰的图像及精确位置)、SINFONI(可精确测量恒星的径向速度)和 NACO 等仪器进行了超过 330 次的测量,从而标记恒星的位置与速度等,最终再次证明了广义相对论的正确预测,这也是人类首次发现恒星在超大质量黑洞周围“舞动”。

正如论文合著者之一、马克斯-普朗克太空物理学研究所天文学家 Stefan Gillessen 所说:

在跟踪恒星超过 25 年后,我们的精确测量结果可靠地检测出了 S2 在人马座 A * 周围的运转轨迹中的史瓦西进动。

关于欧洲南方天文台

欧洲南方天文台(European Southern Observatory,ESO)是欧洲天文学家合作的国际性机构。

1950 年代中期,该天文台的选址工作开始。

1962 年 10 月 5 日,德国、法国、比利时、荷兰、瑞典五国率先在巴黎签署协议,决定共同建立天文台。后来,丹麦、芬兰、意大利、葡萄牙、瑞士、英国、西班牙、捷克共和国等国先后加入。

1969 年 3 月 25 日,该天文台在阿塔卡玛沙漠南部的拉西拉山正式剪彩。

其研究领域主要为恒星、星系、星际物质、星系团、类星体、X 射线天文学、γ 射线天文学、射电天文学和天文仪器与技术方法等。 

人类首次发现恒星在超大质量黑洞周围“舞动”!这花式走位正如爱因斯坦所料

引用来源:

[1]https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2006/eso2006a.pdf

[2]https://phys.org/news/2020-04-eso-telescope-star-supermassive-black.html

[3]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1634374653696321450&wfr=spider&for=pc

[4]https://baike.baidu.com/item/%E7%94%9A%E5%A4%A7%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C/2749962#5

[5]https://baike.baidu.com/item/%E6%AC%A7%E6%B4%B2%E5%8D%97%E6%96%B9%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%8F%B0/2103572

[6]https://www.eso.org/public/

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