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人類首次發現恒星在超大質量黑洞周圍“舞動”!這花式走位正如愛因斯坦所料

本文作者:付靜 2020-04-17 18:16
導語:經過近 30 年 330 余次的測量,廣義相對論再次得到驗證。

在近 30 年的追蹤觀測之后,科學家再次驗證了廣義相對論的預測。

1916 年,愛因斯坦發表廣義相對論,預言圍繞銀河系中心超大質量黑洞運行的恒星的運轉軌跡就像玫瑰花結一樣。

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空姐按着她的腰强行坐下去是不是想起了童年玩過的萬花尺?

人類首次發現恒星在超大質量黑洞周圍“舞動”!這花式走位正如愛因斯坦所料

約 30 年前,天文學家開始對一顆繞銀河系中心黑洞人馬座 A * 軌道運行的恒星 S2 進行持續的觀測工作。在獲得了 330 次恒星位置、速度的數據后,確定了 S2 在人馬座 A * 周圍的花式走位,再次證明了廣義相對論預測的正確性。

當地時間 2020 年 4 月 16 日,相關研究成果在線發表于《天體學與天體物理學》(Astronomy & Astrophysics)期刊,題為 Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole(星系中心大質量黑洞附近恒星 S2 軌道中史瓦西進動的探測)。

史瓦西進動

1687 年,被一顆蘋果砸中的牛頓在《自然哲學的數學原理》上發表了著名的萬有引力定律。

此后,人們便知道了,任何一個有質量的物體都具有引力,所以任何兩個物體都會相互吸引。而正是因為這種叫做「引力」的東西的存在,宇宙間大大小小的系統都能在一種極度穩定的狀態下有序運行。那么順著牛頓的這一思路,恒星的運轉軌道應該類似于橢圓形。

所謂實踐出真知,隨著天文學不斷發展,當人們開始用萬有引力定律計算位于超大質量天體附近的星體運行軌道,卻發現得到的計算結果與實際觀測的數據相去甚遠。

空姐按着她的腰强行坐下去1859 年,曾發現并命名海王星、名字被刻上巴黎埃菲爾鐵塔的著名法國天文學家勒威耶就發現,水星近日點進動的觀測值比根據牛頓萬有引力定律算得的理論值每世紀快 38"。

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空姐按着她的腰强行坐下去于是,一個更接近“真理”的預測問世——1915 年,愛因斯坦完成了其廣義相對論的基礎,并于次年正式發表。

空姐按着她的腰强行坐下去在廣義相對論中,愛因斯坦刷新了人們的認知(并不是顛覆萬有引力定律,而是進一步發展)。愛因斯坦認為,我們不能把引力理解為是一種力,確切的來說,應該被稱為「時空曲率」(The curvature of spacetime)。

簡單來講,物體的質量決定了時空的性質,物體質量的分布狀況會使得時空彎曲。那么,遇到較大質量的天體,光線的路線也會變得彎曲(可以腦補一下放在軟床上的重球使床面彎曲的畫面)。

具體到天體的運轉軌跡,恒星在走完一圈橢圓后,下一圈會出現一定的偏差,最終恒星的軌跡就會形成一朵玫瑰花的樣子,而這個現象也有一個學名——史瓦西進動空姐按着她的腰强行坐下去(Schwarzschild precession)。

人馬座 A* 與恒星 S2

在拉丁語中,Sagittarius 意為“持箭者”,意譯過來就是十二星座里面的射手座。在希臘神話中,這位射手是箭頭指向西面一只蝎子(天蝎座)的半人馬族智者喀戎,因此有些地方也會把射手座稱為人馬座。

1974 年, 天文學家發現了一個超大質量黑洞「人馬座 A*」(Sagittarius A*,Sgr A*,* 代表“star”或“星”)。

人馬座 A* 被認為是研究黑洞的最佳目標,這是因為黑洞廣泛存在于宇宙中,每一個星系中心都會存在一個質量很大的黑洞,而人馬座 A* 正是銀河系中的超級黑洞,距離太陽 26,000 光年,質量為太陽的 400 多萬倍,很有可能是離地球最近的超大質量黑洞。

空姐按着她的腰强行坐下去實際上,科學家對黑洞的探索之路相當艱難,很大一部分原因是黑洞無法直接被觀測到,因此科學家只能通過間接方式得知其存在、質量,及黑洞對其他事物的影響。

空姐按着她的腰强行坐下去在人馬座 A* 周圍,存在一顆極其靠近它的恒星 S2(又稱 S0–2),最近距離小于 200 億公里(太陽與地球之間的距離的 120 倍)。而對這一恒星的研究意義重大,主要是因為:

  • 觀測其運動也可用于觀測其他靠近人馬座 A* 的天體——數千顆散布于 S2 軌道空間內的恒星及大量的恒星殘骸(如恒星級黑洞、中子星、白矮星);

  • S2 的軌道速度可達到光速的 3%(≈7650 公里/秒),圍繞人馬座 A* 轉一圈只需 16 年,一名天文學家至少能在有生之年研究其完整的一圈運行,并且它也足夠明亮,保證天文學家能夠對它進行詳細的測量。

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近 30 年的 330 次觀測

空姐按着她的腰强行坐下去1992 年起,包括加州大學洛杉磯分校、德國慕尼黑馬克斯-普朗克太空物理學研究所、歐洲南方天文臺等在內的眾多知名研究團隊便開始了對 S2 的監測。

空姐按着她的腰强行坐下去在觀測過程中,歐洲南方天文臺利用到了一個工具——「甚大望遠鏡」(Very Large Telescope,VLT)。

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VLT 位于智利帕瑞納天文臺,是一種大型光學望遠鏡,由 4 臺口徑 8.2 米的望遠鏡組成。這 4 臺望遠鏡既可單獨使用,也可組成具有相當于口徑 16 米的望遠鏡的聚光能力和口徑 130 米的望遠鏡的角分辨能力的光學干涉儀,進行高分辨率觀測。

雷鋒網(公眾號:雷鋒網)了解到,VLT 于 2012 年全部建成開始工作,其主要任務為搜索太陽系旁鄰近恒星的行星、研究星云內恒星的誕生、觀察活躍星系核內可能隱藏的黑洞,及探索宇宙的邊緣等。

除 VLT 外,研究團隊還利用 GRAVITY(可給出非常清晰的圖像及精確位置)、SINFONI(可精確測量恒星的徑向速度)和 NACO 等儀器進行了超過 330 次的測量,從而標記恒星的位置與速度等,最終再次證明了廣義相對論的正確預測,這也是人類首次發現恒星在超大質量黑洞周圍“舞動”。

正如論文合著者之一、馬克斯-普朗克太空物理學研究所天文學家 Stefan Gillessen 所說:

空姐按着她的腰强行坐下去在跟蹤恒星超過 25 年后,我們的精確測量結果可靠地檢測出了 S2 在人馬座 A * 周圍的運轉軌跡中的史瓦西進動。

關于歐洲南方天文臺

歐洲南方天文臺(European Southern Observatory,ESO)是歐洲天文學家合作的國際性機構。

空姐按着她的腰强行坐下去1950 年代中期,該天文臺的選址工作開始。

空姐按着她的腰强行坐下去1962 年 10 月 5 日,德國、法國、比利時、荷蘭、瑞典五國率先在巴黎簽署協議,決定共同建立天文臺。后來,丹麥、芬蘭、意大利、葡萄牙、瑞士、英國、西班牙、捷克共和國等國先后加入。

1969 年 3 月 25 日,該天文臺在阿塔卡瑪沙漠南部的拉西拉山正式剪彩。

其研究領域主要為恒星、星系、星際物質、星系團、類星體、X 射線天文學、γ 射線天文學、射電天文學和天文儀器與技術方法等。 

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