作者：ESO
翻譯：王佳
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聲明：
根據Creative Commons Attribution 4.0 International License協議，編譯自European Southern Observatory官方網站。
正文譯自：
https://www.eso.org/public/news/eso2006/
歐洲南方天文臺的“甚大望遠鏡”（Very Large Telescope, VLT）進行的觀測首次揭示出，一顆圍繞銀河系中心處超大質量黑洞轉動的恆星，正如愛因斯坦的廣義相對論所預測的那樣運動。它的軌道形狀像一朵玫瑰花，而不是牛頓引力理論所預測的橢圓。基於近30年越來越精確的測量，這一期待已久的結果才得以實現，這使得科學家們能夠解開潛藏在我們星系中心的“巨獸”的秘密。
歐洲南方天文臺的VLT觀測到一顆恆星在銀河系中心的超大質量黑洞周圍“跳舞”。這顆恆星的軌道呈玫瑰花狀，而不是橢圓。詳細介紹見下方文章。（Credit:ESO）
Directed by: Herbert Zodet.
Editing: Herbert Zodet.
Web and technical support: Gurvan Bazin and Raquel Yumi Shida.
Written by: Caitlyn Buongiorno, Stephanie Rowlands and BárbaraFerreira.
Music: John Stanford – Deep Space (johnstanfordmusic.com).
Footage and photos: ESO, L. Calçada and Daniele Gasparri (www.astroatacama.com).
“愛因斯坦的廣義相對論預言，一個物體圍繞另一個物體運動的軌道不再像牛頓引力預言的那樣是封閉的，而是在運動平面上向前進動。這一著名效應——首次在水星圍繞太陽的軌道中發現——是支持廣義相對論的最早證據。一百年後的今天，我們在圍繞著銀河系中心緻密射電源人馬座A* 轉動的恆星的運行軌道中發現了同樣的效應。這一天文觀測突破給予我們更有力的證據去相信：人馬座A* 一定是一個超大質量黑洞，其質量是太陽的400萬倍”，Reinhard Genzel這樣說道。他是位於德國加興的馬克斯·普朗克地外物理研究所(MPE)的主任，也是做出這一成果的這個30年之久項目的締造者。
距離太陽26 000光年，人馬座A* 及其周圍密集的恆星團為我們提供了一個獨特的實驗室，用來在一個從未被探索過的、極端引力環境中檢驗物理學。其中的一顆恆星——S2，掠向人馬座A* ，最近處距離不超過200億千米(太陽到地球距離的120倍)，它是迄今為止在圍繞人馬座A* 的軌道上發現的距離這一超大質量黑洞最近的恆星之一。在其軌道最靠近黑洞的時候，S2以接近光速3%的速度在太空中飛馳，每16年完成一次軌道運行。“在跟蹤這顆恆星的軌道運行超過25年之後，我們敏銳的測量強有力地探測到S2圍繞人馬座A* 的軌道中的史瓦西進動”，馬克斯·普朗克地外物理研究所的Stefan Gillessen這樣說。他領導了這一觀測結果（2020年4月16日發表於Astronomy & Astrophysics）的分析工作。
恆星的軌道非常接近銀河系中心的超大質量黑洞。其中一顆名為S2的恆星每16年繞軌道轉動一週，2018年5月，S2非常靠近黑洞。這是驗證引力物理學，特別是愛因斯坦廣義相對論的完美實驗室。（Credit:ESO/L. Calçada/spaceengine.org）
大多數恆星和行星都有一個非圓軌道，因此在運動的不同階段，它們會不斷靠近或不斷遠離其圍繞著的天體。S2的軌道進動意味著，它離超大質量黑洞最近點的位置會隨著每一輪轉動而改變，這樣下一個軌道就會相對於前一個軌道轉動，形成玫瑰花狀。廣義相對論能夠精確地預測軌道如何變化，而這項研究的最新測量結果與理論完全吻合。這種被稱作“史瓦西進動”的效應，以前從未在圍繞超大質量黑洞運轉的恆星上被觀測到。
利用歐洲南方天文臺的VLT進行的這項研究還有助於科學家更多地瞭解位於銀河系中心的超大質量黑洞附近的情況。“由於對S2的測量如此好地遵循了廣義相對論，我們可以對人馬座A* 周圍存在多少不可見物質比如分佈的暗物質，或可能的小黑洞，給出嚴格限制。這對於理解超大質量黑洞的形成和演化具有重大意義”，該項目的法國首席科學家Guy Perrin和Karine Perraut說。
這一結果是S2恆星27年觀測的頂峰，在絕大部分時間裡，使用的是位於智利阿塔卡馬沙漠的歐洲南方天文臺VLT的一組儀器。標記恆星位置和速度的數據點的數量是這項新研究的徹底性和精確性的證據：研究團隊使用GRAVITY、SINFONI和NACO儀器進行了總計330次測量。由於S2繞超大質量黑洞運轉一週需要數年時間，因此，為了捕獲到其運轉軌道的複雜精微之處，跟蹤這顆恆星長達近30年是至關重要的。
GRAVITY儀器（Credit:ESO/GRAVITY consortium）
SINFONI儀器（Credit:ESO）
NACO 儀器（Credit:ESO）
這項研究是由馬克斯·普朗克地外物理研究所的Frank Eisenhauer領導，法國、葡萄牙、德國和歐洲南方天文臺的科學家參與合作的國際團隊來實施完成的。研究團隊成立了 GRAVITY 合作組，得名於他們為VLT干涉儀而開發的儀器，該儀器將所有4個8米VLT望遠鏡的光合併成一個超級望遠鏡(分辨率相當於直徑130米的望遠鏡)。研究團隊在2018年報告了廣義相對論預測的另一效應：當S2靠近人馬座A* 通過時，他們接收到的來自S2的光，波長被拉得更長了。“我們之前的研究結果表明，S2恆星發出的光感受到了廣義相對論。現在我們證明了，這顆恆星本身感受到了廣義相對論效應”，葡萄牙天體物理與引力中心研究員、GRAVITY 合作組主要科學家之一Paulo Garcia說。
利用歐洲南方天文臺即將建成的“極大望遠鏡”（Extremely Large Telescope，ELT），研究團隊相信，他們將能夠看到在離黑洞更近的軌道上運行的、更微弱的恆星。“如果幸運，我們可能會捕捉到足夠接近黑洞的恆星，它們能感受到黑洞的旋轉——自旋”，該項目的另一位首席科學家、科隆大學的 Andreas Eckart說。這意味著天文學家將能夠測量出兩個量：自旋和質量，是它們刻畫了人馬座A* ，並定義了其周圍的空間和時間。“這將再次把相對論檢驗帶到一個完全不同的層面”， Andreas Eckart說。
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