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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:必赢网站

2025-02-11 21:35:01
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本文摘要: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。

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。是不是想起了童年玩过的万花尺?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》(AstronomyAstrophysics)期刊,题为DetectionoftheSchwarzschildprecessionintheorbitofthestarS2neartheGalacticcentremassiveblackhole(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。

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」(Thecurvatureofspacetime)。

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(Schwarzschildprecession)。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*」(SagittariusA*,SgrA*,*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。

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」(VeryLargeTelescope,VLT)。

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。

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StefanGillessen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(EuropeanSouthernObservatory,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。

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][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/原创文章,未经授权禁止转载。详情见转载须知。


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