如果说银河系的中心藏着什么最野的谜团,那一定是我们星系正中央那颗名叫“人马座A*”(Sag A*)的超大质量黑洞。对于绝大多数绕着它转的恒星来说,牛顿老爷子的万有引力定律已经足够用了,就像你每天开车上班,根本不需要用到相对论来修正导航。牛顿的模型好到可以帮助我们穿越太阳系,甚至能很好地解释大部分绕着人马座A*旋转的S星的轨迹,那种从没在普通生活里冒出来过的引力波,似乎只是理论物理学家的专属玩具。
但最近,天文学家们发现了一颗非常不给牛顿面子的恒星。它的名字朴素得像个工号——S301,也就是目前有记录以来,第301颗被确认绕着人马座A*转的S星。它比我们的太阳稍微重那么一点,但行事风格却极其张扬。每8.7年,它就会疯狂地绕行一圈,这是目前所有已知S星中最短的一个轨道周期。而且,它的轨道还不是规规矩矩的圆形,而是一个被拉得极扁的极端椭圆形。
说到它在轨道上的极致表演,就不得不提它离黑洞最近的那一刻。在它猛冲到轨道近心点的时候,它与黑洞视界的距离只剩下大约140个人马座A*的半径,换算成我们太阳系的概念,大约是24个天文单位。为了让你对这个距离有点“身体上的感觉”,我们不妨把整个太阳系搬过去做个类比:假设人马座A*恰好位于我们太阳系的中心,它的视界会刚好卡在水星的轨道内侧。而在S301离黑洞最近的那一刻,它就像一颗疯狂的石子,从天王星和海王星的轨道之间呼啸而过。更离谱的是它的速度——在那时,它的移动速度会飙升到光速的百分之八以上。
正是这股“光速的百分之八”的劲头,让S301成了我们目前观测到的最“相对论”的恒星,也为物理学家们打开了一扇测试极限的窄门。就拿“轨道进动”这个现象来说吧。在牛顿的宇宙里,一颗行星的轨道应该是固定的。但爱因斯坦告诉我们,在极端引力下,轨道本身会发生缓慢的旋转,这叫做进动。我们早就在水星的轨道上观测到了这一点,这也是广义相对论的经典证明之一。不过,水星的进动幅度实在太小了,爱因斯坦的预测和牛顿的计算之间的差值,在每个轨道周期里,甚至比人类一次心跳的跨度还要微小。
而S301呢?它完全不搞这种扭扭捏捏的微调。数据显示,S301在每个轨道周期里,它的近心点会向前推进足足大约2度。这种幅度的轨道旋转堪称粗暴,以至于让微弱的次级相对论效应都被放到巨大,成为了不容忽视的主场嘉宾。比如引力红移和横向多普勒效应,这些我们过去只能在精密的实验室里观测到的现象,如今终于可以在大自然的壮丽舞台上,被S301活生生地表演出来。但相比这些,真正让理论物理学家们睡不着觉的是,利用S301,我们有可能在未来去审视那些广义相对论的替代模型。
这里的深层次麻烦在于,优雅的广义相对论,跟另一根现代物理学的顶梁柱——量子理论,怎么也玩不到一起去。为了把这两者撮合起来,科学家们提出了好几个试图统一引力和量子的模型,但它们在绝大多数普通情况下,给出的预测和广义相对论几乎没有区别。只有在极端的场景里,这两种理论的差异才会露出马脚。而这些细微的差异,很有可能就藏在像S301这样以相对论速度运行的物体身上,因为此时涉及到的效应量级,往往能达到光速平方甚至立方的阶数。此外,黑洞自身的旋转以及它与恒星自转之间发生交互的作用力,也恰恰会在这个量级上产生扰动,留下需要我们去破译的信号。
想要捕捉到这些二阶乃至三阶效应的精妙之处,就需要动用威力更大的眼睛。未来的巨兽级天文望远镜,比如正在建造中的巨型麦哲伦望远镜,将有能力以足够惊人的精度去解析S301的光谱数据,从而测量出这些微妙到极点的次级相对论效应。到了那一天,我们或许就能在S301身上,找到引力与量子世界之间那条若隐若现的裂缝。
当然,这些都是后话。即便是当下,想要去细致观察这颗运行最为极端的恒星,天文学家们依然得面对一重天然的障碍:我们的银河系中心,被一层厚厚的尘埃和气体构成的帷幕严严实实地遮蔽着。这使得现阶段对S301进行高精度的持续性追踪,本身就是个不小的挑战。不过好在,它每8.7年就会绕回来一次,留给我们的观察窗口,还有的是时间。
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