黑洞周圍恆星軌道呈花環狀運行,驗證廣義相對論的預測

圖:European Southern Observatory/ESO/L. Calçada

天文學家首次觀察到一顆恆星繞著銀河系中心超大質量黑洞(supermassive black hole)的軌道運行。而且,這顆恆星正依照愛因斯坦的廣義相對論預測的步調運行著。該研究已發表於科學期刊《天文與天體物理學報》(Astronomy & Astrophysics)

花環狀軌道

天文學家使用位於智利阿他加馬沙漠(Atacama Desert)的歐洲南方天文台(European Southern Observatory)甚大望遠鏡(Very Large Telescope)來觀察這顆恆星。他們發現這顆恆星的軌道形狀如同花環狀(rosette)。

牛頓的重力理論認為恆星軌道呈現橢圓形,但事實不然。這顆恆星如愛因斯坦廣義相對論的預測,軌道隨時間而變化。德國馬克斯·普朗克地外物理學研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)所長賴因哈德·根策爾(Reinhard Genzel)表示:「愛因斯坦的廣義相對論預測,不同於牛頓萬有引力定律所述,一物體在另一個物體周遭的束縛軌道(bound orbit)不是封閉的,而是在運動的平面上旋進(precession)。」

特殊效果

根策爾所長表示:「這個著名的效應首見於水星圍繞太陽的軌道上,是第一個支持廣義相對論的證據。而 100 年後,我們再度偵測到同一個效應出現在一顆恆星上,這顆恆星繞著銀河系中心的緻密無線電波源(compact radio source)人馬座 A*(Sagittarius A*)運轉。這個觀測上的突破進一步證明了人馬座 A* 絕對是超大質量黑洞的證據,其質量約為太陽質量的 400 萬倍。」

人馬座 A* 是在銀河系中央的超大質量黑洞,距離太陽 26,000 光年,而我們的太陽系則位於銀河系巨大螺旋臂的邊緣。

在黑洞周圍存在密集的恆星群,而其中之一是在本次觀測中被命名為 S2 的恆星,其最接近黑洞時的距離不到 200 億公里,是科學家發現圍繞黑洞運行的恆星中距離最近的其中之一。當它接近黑洞時,會以 3% 的光速移動,繞行黑洞一周需要 16 個地球年。

在馬克斯·普朗克地外物理學研究所領導量測分析的史蒂芬·吉列森(Stefan Gillessen)表示:「追蹤這顆恆星在軌道運行約 25 年後,我們精密的量測能檢測出人馬座 A* 周圍的 S2 恆星,其路徑為史瓦西進動(Schwarzschild precession)。」

恆星運行的軌道通常不是完美的圓形。相反地,恆星自轉時會向內或向外移動。S2 最靠近黑洞的距離會隨時間改變,有助於形成花環狀的軌道結構,而廣義相對論預測了運行軌道的改變。

更了解黑洞周遭

此外,廣義相對論也讓科學家更了解銀河系中心的區域,此區域被銀河系的氣體及灰塵所遮掩,從地球很難進行觀測。對這顆恆星觀測 27 年,讓此區域的觀測變得可能。而研究團隊先前也發現當這顆恆星的光接近黑洞時,其光線也符合廣義相對論。

此研究共同作者暨葡萄牙天體物理及萬有引力中心(Portugal’s Centre for Astrophysics and Gravitation)研究員保羅·加西亞副教授(Paulo Garcia)表示:「我們先前的結果顯示,從恆星發出的光符合廣義相對論。而現在,我們又發現這顆恆星本身也會受到廣義相對論的影響。」

未來的新型望遠鏡,例如歐洲南方天文台的甚大望遠鏡,將能觀測到更靠近黑洞的微弱恆星。研究共同作者暨德國科隆大學(Cologne University)的計畫主持人安德烈·艾卡特教授(Andreas Eckart)表示:「若幸運的話,我們可能會捕捉到離黑洞夠近的恆星,這些恆星能實際感受到黑洞的旋轉及自旋。這將為檢驗相對論提供另一種完全不同等級的支持。」

參考資料

  1. Strickland, A., (2020, April 16). Astronomers saw a star dancing around a black hole. And it proves Einstein’s theory was right. CNN
  2. Abuter, R. et al., (2020, April 16). Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole. Astronomy & Astrophysics. doi.org/10.1051/0004-6361/202037813
黃威翔
黃威翔 200 文章
清華大學材料工程學系碩士畢業生。一個喜歡學外語,但又在科學領域打滾的平凡人,喜歡美食,日劇,電影,旅遊。