這顆恒星繞黑洞跑一圈僅8.7年，速度超光速8%，揭示了什么？

如果說銀河系的中心藏著什么最野的謎團，那一定是我們星系正中央那顆名叫“人馬座A*”（Sag A*）的超大質(zhì)量黑洞。對于絕大多數(shù)繞著它轉(zhuǎn)的恒星來說，牛頓老爺子的萬有引力定律已經(jīng)足夠用了，就像你每天開車上班，根本不需要用到相對論來修正導(dǎo)航。牛頓的模型好到可以幫助我們穿越太陽系，甚至能很好地解釋大部分繞著人馬座A*旋轉(zhuǎn)的S星的軌跡，那種從沒在普通生活里冒出來過的引力波，似乎只是理論物理學(xué)家的專屬玩具。

但最近，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一顆非常不給牛頓面子的恒星。它的名字樸素得像個工號——S301，也就是目前有記錄以來，第301顆被確認繞著人馬座A*轉(zhuǎn)的S星。它比我們的太陽稍微重那么一點，但行事風格卻極其張揚。每8.7年，它就會瘋狂地繞行一圈，這是目前所有已知S星中最短的一個軌道周期。而且，它的軌道還不是規(guī)規(guī)矩矩的圓形，而是一個被拉得極扁的極端橢圓形。

說到它在軌道上的極致表演，就不得不提它離黑洞最近的那一刻。在它猛沖到軌道近心點的時候，它與黑洞視界的距離只剩下大約140個人馬座A*的半徑，換算成我們太陽系的概念，大約是24個天文單位。為了讓你對這個距離有點“身體上的感覺”，我們不妨把整個太陽系搬過去做個類比：假設(shè)人馬座A*恰好位于我們太陽系的中心，它的視界會剛好卡在水星的軌道內(nèi)側(cè)。而在S301離黑洞最近的那一刻，它就像一顆瘋狂的石子，從天王星和海王星的軌道之間呼嘯而過。更離譜的是它的速度——在那時，它的移動速度會飆升到光速的百分之八以上。

正是這股“光速的百分之八”的勁頭，讓S301成了我們目前觀測到的最“相對論”的恒星，也為物理學(xué)家們打開了一扇測試極限的窄門。就拿“軌道進動”這個現(xiàn)象來說吧。在牛頓的宇宙里，一顆行星的軌道應(yīng)該是固定的。但愛因斯坦告訴我們，在極端引力下，軌道本身會發(fā)生緩慢的旋轉(zhuǎn)，這叫做進動。我們早就在水星的軌道上觀測到了這一點，這也是廣義相對論的經(jīng)典證明之一。不過，水星的進動幅度實在太小了，愛因斯坦的預(yù)測和牛頓的計算之間的差值，在每個軌道周期里，甚至比人類一次心跳的跨度還要微小。

而S301呢？它完全不搞這種扭扭捏捏的微調(diào)。數(shù)據(jù)顯示，S301在每個軌道周期里，它的近心點會向前推進足足大約2度。這種幅度的軌道旋轉(zhuǎn)堪稱粗暴，以至于讓微弱的次級相對論效應(yīng)都被放到巨大，成為了不容忽視的主場嘉賓。比如引力紅移和橫向多普勒效應(yīng)，這些我們過去只能在精密的實驗室里觀測到的現(xiàn)象，如今終于可以在大自然的壯麗舞臺上，被S301活生生地表演出來。但相比這些，真正讓理論物理學(xué)家們睡不著覺的是，利用S301，我們有可能在未來去審視那些廣義相對論的替代模型。

這里的深層次麻煩在于，優(yōu)雅的廣義相對論，跟另一根現(xiàn)代物理學(xué)的頂梁柱——量子理論，怎么也玩不到一起去。為了把這兩者撮合起來，科學(xué)家們提出了好幾個試圖統(tǒng)一引力和量子的模型，但它們在絕大多數(shù)普通情況下，給出的預(yù)測和廣義相對論幾乎沒有區(qū)別。只有在極端的場景里，這兩種理論的差異才會露出馬腳。而這些細微的差異，很有可能就藏在像S301這樣以相對論速度運行的物體身上，因為此時涉及到的效應(yīng)量級，往往能達到光速平方甚至立方的階數(shù)。此外，黑洞自身的旋轉(zhuǎn)以及它與恒星自轉(zhuǎn)之間發(fā)生交互的作用力，也恰恰會在這個量級上產(chǎn)生擾動，留下需要我們?nèi)テ谱g的信號。

想要捕捉到這些二階乃至三階效應(yīng)的精妙之處，就需要動用威力更大的眼睛。未來的巨獸級天文望遠鏡，比如正在建造中的巨型麥哲倫望遠鏡，將有能力以足夠驚人的精度去解析S301的光譜數(shù)據(jù)，從而測量出這些微妙到極點的次級相對論效應(yīng)。到了那一天，我們或許就能在S301身上，找到引力與量子世界之間那條若隱若現(xiàn)的裂縫。

當然，這些都是后話。即便是當下，想要去細致觀察這顆運行最為極端的恒星，天文學(xué)家們依然得面對一重天然的障礙：我們的銀河系中心，被一層厚厚的塵埃和氣體構(gòu)成的帷幕嚴嚴實實地遮蔽著。這使得現(xiàn)階段對S301進行高精度的持續(xù)性追蹤，本身就是個不小的挑戰(zhàn)。不過好在，它每8.7年就會繞回來一次，留給我們的觀察窗口，還有的是時間。