浙江
天文學家近日確認，在銀河系中心超大質量黑洞人馬座 A*（Sagittarius A*，簡稱 Sgr A*）附近，一顆編號為 S301 的恒星正以超過光速 8% 的極端速度繞行，被認為是迄今觀測到“相對論效應”最顯著的一顆恒星，為在極端引力環境下檢驗愛因斯坦廣義相對論以及其競爭理論提供了前所未有的天然實驗室。
廣義相對論是目前描述引力最精確的理論之一，但在絕大多數日常情景下，人們使用經典的牛頓萬有引力定律已經足以完成從航天器軌道設計到行星運動計算等任務。即便在銀河系中心，人馬座 A* 周圍大多數恒星的運動，也可以通過牛頓引力很好地加以描述。唯有在引力極強、速度極高的“極端條件”下，廣義相對論與其他引力理論才會出現可測量的差異，這也是物理學家一直努力尋找的宇宙實驗場。
新發現的恒星 S301 就是這樣一塊“試金石”。它是所謂“S 星族”（S-stars）中的第 301 號成員，略重于太陽，繞人馬座 A* 公轉一周僅需 8.7 年，是目前已知周期最短的一顆 S 星。S301 的軌道高度偏心，呈拉得很長的橢圓，在遠日點遠離黑洞，而在近日點則極度逼近銀河系中心的引力深淵。
研究顯示，S301 在軌道最近點時與人馬座 A* 的距離大約為其“半徑”的 140 倍，約合 24 個天文單位（1 個天文單位為地日距離）。如果用人馬座 A* 取代太陽放在太陽系中心，那么其事件視界大致位于現在的水星軌道附近，而 S301 在最近點時則相當于在木星和土星軌道之間掠過。這一位置上，它的軌道速度可超過光速的 8%，對于一顆類日恒星來說極為驚人。
正是這種極端軌道，使得 S301 成為目前觀測到“最相對論”的恒星。科研團隊已經發現，S301 的軌道存在明顯的進動——即近日點在每一周軌道之后都會發生前移。軌道進動曾是檢驗廣義相對論的經典實驗之一，例如水星的近日點進動，但在水星的情況下，牛頓力學與廣義相對論預測之差極其微小，每個軌道周期的偏差甚至不及一次心跳的時間。而在 S301 的案例中，其近日點每公轉一周大約會前移 2 度，這一幅度足以讓天文學家在觀測數據中清晰分辨。
在如此極端的引力環境中，第二、第三階的相對論效應也開始顯現。例如，恒星發出的光會經歷明顯的引力紅移，同時還會疊加橫向多普勒效應等 relativistic 效應。實驗室中，人類已經在粒子物理和精密時間測量實驗中驗證過這些現象，而 S301 則提供了一個在天然宇宙環境中系統研究這些效應的絕佳舞臺，更重要的是，它有望用來檢驗和區分各種“廣義相對論替代表”或統一引力與量子力學的新理論。
長期以來，廣義相對論與量子理論之間存在理論上的“難以兼容”。為統一兩者，物理學界提出了多種模型，但這些模型間的差異通常只在極端條件下才能顯露。例如，一些效應的強度與
未來一代的大型地基望遠鏡，如巨型麥哲倫望遠鏡（GMT）等，有望以足夠高的光譜分辨率對 S301 的輻射進行精細測量，從而捕捉這些二階、三階相對論效應留下的細微印記。這不僅有助于檢驗愛因斯坦理論在極端條件下的適用范圍，還可能為量子引力等更深層理論提供關鍵線索。
然而，要充分利用 S301 這座“天然實驗室”，觀測上仍面臨諸多挑戰。銀河系中心區域被大量氣體與塵埃遮蔽，致使可見光觀測幾乎無法直接透視，只能依賴紅外和其他波段。S301 本身是一顆類太陽恒星，其本身并不明亮，即便在紅外波段也不耀眼，這意味著目前的儀器只能較為可靠地追蹤其位置和運動軌跡，對于獲取高質量光譜數據仍顯吃力。
盡管如此，天文學家相信，隨著望遠鏡口徑的增大和儀器靈敏度的提升，人類對 S301 的觀測精度將不斷提高。正如文章作者所言，“對于與相對論相關的一切，這只是時間問題”——S301 這顆在黑洞邊緣飛馳的恒星，或許將成為下一次引力理論重大突破的關鍵角色。
特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺“網易號”用戶上傳并發布，本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
