S2恒星轨道进动完全吻合广义相对论,爱因斯坦再度胜出

围绕银河系中心超大质量黑洞人马座A*运转的S2恒星,是天文学家最喜欢拿来验证爱因斯坦的研究对象;经过近30年监测,现在一篇新研究发现S2恒星轨道发生微小变化,并且该运动与爱因斯坦的理论完全吻合。

在银河系的中心,有数百颗恒星都围绕着超大质量黑洞人马座A* 运行。数十年来,科学家一直在关注恒星的运动,这是测试爱因斯坦广义相对论最好的场所之一,在这其中,最接近黑洞的S2恒星最特别,其轨道周期约16年。

如果根据牛顿对重力场的描述,那么S2恒星应以椭圆轨道运行,每趟周期都应沿着与上一个轨道完全相同的路径前进,然而近代数据分析显示:事实并非如此。相反地​​,S2恒星如广义相对论预测那般,轨道随着时间推移而变化。

一组研究团队分析甚大望远镜观察S2恒星长达27年的数据,首次证实恒星出现史瓦西进动(Schwarzschild precession)──就像你摇呼拉圈,轨迹不可能永远留在同一平面,而可能上下偏移。这种进动最早在约一个世纪前水星绕行太阳的轨道中观测到,而现在新研究表明,即使在最极端重力环境下,爱因斯坦理论依然成立。

S2恒星的史瓦西进动。

此外,广义相对论方程还可精确预测轨道变化,计算结果也与S2的实际观测值精确匹配。

这篇新论文也不是第一个利用S2恒星来验证广义相对论的研究了。自1990年代以来,天文学家就开始密切注视这颗恒星,2018年时,马克斯‧普朗克地外物理学研究所(Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik,MPE)团队研究证实,S2恒星在接近人马座A* 时其重力红移数据与牛顿预测的不一致、但与广义相对论的预测完全一致,隔年,另一组独立研究也证实了这些结果。

现在,马克斯‧普朗克地外物理学研究所团队继续使用1992~2019年底的观测数据进行超过300次测量,目的为检测恒星是否也如广义相对论预测出现史瓦西进动,结果也证明爱因斯坦又成功了。

天体物理学家Guy Perrin、Karine Perraut等人表示由于S2恒星完美遵循了广义相对论预测,代表我们将能对人马座A* 周围存在多少不可见物质(如暗物质、或可能存在较小的黑洞等)进行严格限制,让我们进一步理解超大质量黑洞的形成和演化。

新论文发布在《天文与天体物理学报》(Astronomy & Astrophysics)。

(首图来源:欧洲南方天文台)