黑洞周圍恆星軌道呈花環狀運行，驗證廣義相對論的預測
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）。」
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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
- Strickland, A., (2020, April 16). Astronomers saw a star dancing around a black hole. And it proves Einstein’s theory was right. CNN
- 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
