在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个天文学家团队报告了一颗新的恒星——S301。发现新的恒星似乎并没有什么新奇的，但这颗恒星却是目前已知离银河系中心的超大质量黑洞人马座A*（Sgr A*）最近的恒星。在最接近黑洞时，它与人马座A*之间的距离只有略多于12个天文单位（AU），大致相当于太阳到土星的距离。这也让天文学家有机会研究黑洞的自旋，并检验克尔度规、无毛定理等基础物理理论。
发现S301
在Sgr A*周围，有数十颗恒星沿着近似开普勒轨道运行。其中，最具观测价值的是那些最接近Sgr A*的恒星，因为它们能够最深入地探测黑洞的引力势。尤其是轨道周期约为16年的恒星S2，由于其轨道相对容易观测，长期以来一直是研究重点。
然而，在广义相对论中，除了质量之外，黑洞还具有两个额外的自由度，自旋和电荷。在天体物理学研究中，自旋是天体物理学家所真正关注的。但对于测量黑洞的自旋而言，S2仍然离Sgr A*太远。以现有观测能力，需要持续极其漫长的时间才能从它的轨道中辨认出黑洞自旋留下的微弱影响。
2023年春，研究人员在Sgr A*西北方向约15毫角秒的位置发现了一颗暗弱恒星，其亮度只有猎户座中明亮的参宿四的二十亿分之一。它发出的光如此微弱，以至于即便在最清晰的银河系中心图像中，也不过是一个微小的光点，淹没在大量比它明亮得多的恒星之中。随后几个月里，它继续向外移动，研究人员将其编号为S301。
根据2023年获得的四个位置测量结果，研究人员发现，S301的运动速度非常快，并且轨迹已经表现出轻微但显著的弯曲。因此，研究人员在2024年和2025年专门对S301进行了后续观测，分别获得了8个和5个新的天体测量位置。
根据这些位置信息，研究人员反推出S301在更早观测时期应该出现的位置，并检查以往的观测是否恰好覆盖了这些位置。结果显示，在2021年和2017年的数据中也存在S301的信号。最终，研究团队一共获得了19个S301的天体测量位置，这些位置点在天空中勾勒出了一条椭圆轨迹，并能够由一条一致的轨道模型加以解释。
被拖拽的时空
对S301轨道的精确分析显示，它的运动会偏离牛顿经典引力理论所预测的标准椭圆轨道。原因在于，当一颗恒星如此靠近一个大质量、旋转的黑洞时，相对论效应已经不可忽略。其中最重要的有两种。
施瓦西进动： 黑洞的质量会使周围时空弯曲，因此恒星轨道并不会形成一个永远闭合的椭圆。轨道上距离黑洞最近的近心点，会在每一次公转后发生轻微偏移，也就是近心点进动。这种效应此前已经在恒星S2的轨道中被观测到，本质上反映的是黑洞质量造成的时空弯曲。
伦泽-蒂林效应： Sgr A*不仅有巨大的质量，它本身也在旋转。根据广义相对论，一个旋转的质量还会拖拽周围的时空一起旋转，这种现象称为参考系拖曳。可以把它想象成一把旋转的勺子带动杯中的水一起转动。与施瓦西进动相比，这种效应弱得多，也因此更难探测。
新发现的恒星S301绕银河系中心黑洞Sgr A*运行的外推轨道。图中以海王星轨道的大小作为尺度参照。S301沿一条高度偏心的椭圆轨道运行，并穿过黑洞强烈扭曲周围时空的区域。
而S301最特殊的地方就在这里：S301比S2深入黑洞Sgr A*附近的时空近十倍，其运动已经进入对这种自旋效应直接敏感的区域。正如研究人员所说：“S301是第一颗直接运行在Sgr A*周围、参考系拖曳效应极为显著区域中的恒星。我们测量的不再只是时空的弯曲，而是在测量黑洞自身的旋转如何进一步扭曲时空。这是前所未有的。”
测量黑洞自旋
与通过黑洞周围的高温气体或吸积物质间接推断黑洞性质相比，S301的一个关键优势在于，它让研究人员能够直接追踪一个明确天体在黑洞附近的运动。它的轨道会记录周围时空的结构，以及黑洞自旋对时空造成的影响。
研究人员认为，随着未来几年对S301的持续测量，他们有望重建这颗恒星完整的三维运动轨迹，并最终直接测定Sgr A*的自旋。如果实现，这将成为通过单颗恒星轨道直接测量超大质量黑洞自旋的重要突破。
但要做到这一点并不容易。S301极其暗弱，而且位于大量更明亮恒星之间。黑洞附近一些恒星的亮度可达到S301的约10万倍，因此从复杂的背景中提取它的信号，就像在几盏强力探照灯的光芒中寻找一只萤火虫。为了确定它的轨道，研究人员还需要在只有几个毫角秒的角尺度上，对它进行多年持续的位置测量——这相当于从地球上分辨月球表面一辆汽车大小的物体。
而测量黑洞自旋并不是终点。对S301轨道的长期观测，还将提供一个检验克尔度规的机会。克尔度规是广义相对论对旋转黑洞周围时空的描述。如果观测到的恒星轨道与其预言一致，就能够进一步检验我们对旋转黑洞时空的理解。
从更长远来看，S301甚至可能帮助检验黑洞的无毛定理——按照这一理论，一个稳定的黑洞只需要质量、角动量和电荷三个物理量，就可以被完整描述。
#参考来源：
https://www.mpg.de/26915272/a-star-with-an-extreme-orbit-s301-feels-the-rotation-of-the-milky-way-s-central-black-hole
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10894-w
#图片素材来源：
封面图&首图：MPE
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