银河系最快恒星 S301，或将帮助测出银心黑洞的自旋
我们都知道，在银河系正中央，距离地球约2.7万光年的地方，藏着一个质量相当于430万个太阳的庞然大物——人马座 A*（Sagittarius A*）。
它是离地球最近的超大质量黑洞，也是目前最适合通过逐颗追踪恒星轨道来研究的超大质量黑洞。
图 1：欧洲南方天文台甚大望远镜拍摄的银河系中心。
画面中密集分布着恒星和气体，中央隐藏着距离地球约 2.7 万光年的超大质量黑洞人马座 A*，周围天体正以极高速度运动。
版权: ESO/D. Ribeiro/MPE银河系中心团队
过去三十年，天文学家在它周围发现了几十颗“S星”（ S代表source或者star）。
2026年8月，由德国马普地外物理研究所（Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics）牵头的 GRAVITY 合作组在《自然》杂志上宣布发现新成员 S301。
它绕黑洞一周只需 8.7 年，此前的纪录是 S55 保持的 12 年。
其轨道扁得像一根被拉长的橡皮筋，每次冲向近心点，也就是离黑洞最近的位置时，速度会达到每秒约 2.5 万公里，相当于光速的 8.5%。
这使得 S301 成为目前已知银河系中轨道速度最快的恒星。
但它真正重要的地方，不只是快，而是近。
从S2到S301：靠近十倍意味着什么
要理解S301，得先说一下S2。
它每16年绕人马座A* 一周。
从上世纪90年代起，莱因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）带领的团队持续追踪S2等恒星，通过它们精确测量出了银河系中心致密天体的质量，并为那里存在超大质量黑洞提供了关键证据。
两位天文学家也因“发现银河系中心的超大质量致密天体（严谨说法）”分享了2020年诺贝尔物理学奖的一半（另一半授予英国物理学家罗杰·彭罗斯）。
S2最靠近黑洞时，距离约为1400个史瓦西半径（即无自旋黑洞的“事件视界”半径，代表光都无法逃出的边界）；而S301只有136至142个，近了整整十倍。
这是什么概念呢？也就约等于土星到太阳的距离，可以说非常近了。
而黑洞自旋对时空的影响，会随距离迅速减弱。
过去在S2 轨道上几乎无法分辨的信号，到了S301这里，才有望进入可测范围。
时空的两重扭曲
在牛顿引力描绘的理想二体系统里，恒星会沿着同一条闭合椭圆反复运行。
但在广义相对论中，黑洞会弯曲周围时空，恒星每跑完一圈，椭圆轨道的方向都会向前转动一点。
许多圈叠在一起，轨道就像一朵慢慢打开的花。
这种现象叫史瓦西进动（Schwarzschild precession）。
即使黑洞完全不旋转，它也会发生，主要反映黑洞质量造成的时空弯曲。
水星近日点每百年多出的43角秒，是广义相对论最早也最著名的证据之一。
S2每圈的史瓦西进动约为12角分；S301则接近2度，大约是S2的十倍。
图 2：史瓦西进动概念图。
描绘的是恒星S2绕人马座A* 的运动轨迹。
版权：ESO/L. Calçada
如果黑洞还在旋转，事情会再多一层。
旋转黑洞不仅让时空“凹下去”，还会像勺子搅动蜂蜜一样，拖着附近时空一起打旋。
恒星在其中运动，整个轨道平面也会被轻轻拧动。
这就是伦斯—蒂林进动（Lense–Thirring precession），也叫“参考系拖曳”。
图 3: 旋转的黑洞会拖动周围的时空，这种现象被称为伦斯—蒂林效应。
恒星如果足够靠近黑洞，其轨道便会出现微小的额外偏转，长期精确观测这种变化，有望测量黑洞的自旋。
版权: ESO/Kornmesser
这正是它与自旋相关的原因：不旋转的黑洞也会让时空弯曲，旋转的黑洞还会拖动时空（让时空“扭曲”）。
自旋造成的轨道变化更微弱，而且它随距离衰减得比史瓦西进动更快。
只有像S301这样贴得足够近的恒星，才可能显露这道痕迹。
如果人马座A* 转得很快，而且自转轴的朝向恰好能让这种影响明显表现出来，S301每绕一圈，轨道方向就可能因此多偏约0.1度。
这个微小差别，已经有望被现有和下一代仪器测到。
人马座A* 到底转得多快
黑洞没有实体表面，所以“转得多快”不是每秒转多少圈。
天文学家通常用一个与角动量有关的、从0到1的无量纲参数来表示自旋强弱：0代表不旋转，1代表理论极限。
它决定了黑洞周围时空扭曲的程度。
人马座A* 究竟转得多快，目前没有公认答案。
有人根据黑洞外流反推出约0.9，意味着它可能转得很快；事件视界望远镜的一些模型也偏向中高自旋。
另有研究在特定假设下，把自旋上限压到0.1以下。
结果差别如此之大，是因为这些方法分别依赖对气体、磁场、外流和恒星分布的不同假设。
这篇《自然》论文也没有测出它的自旋。
论文图中的数值来自对未来观测的模拟，并不是当前实测结果。
S301的价值，在于提供一种更直接的办法：不再主要根据黑洞周围气体怎样发光来反推，而是看旋转的时空怎样改变一颗恒星的轨道。
在2.7万光年外追踪S301
S301的亮度只有S2的百分之一左右。
它很可能只是一颗质量与太阳相差不大的普通主序星，放在太阳附近并不起眼，到了银河系中心，却成了一枚宝贵的“试验粒子”。
要在尘埃密布、群星拥挤的银河系中心找到它，靠的是欧洲南方天文台甚大望远镜（Very Large Telescope）干涉仪上的 GRAVITY。
它把四台8米望远镜接收到的光组合起来，获得远高于单台望远镜的分辨能力，并能测出极其细微的位置变化。
图 4：智利帕拉纳尔天文台的四台8米级望远镜同时发射激光，在约90公里高空形成“人工导星”，用来校正大气扰动造成的图像模糊。
这是甚大望远镜干涉仪和 GRAVITY+ 升级的重要一步，将显著提升其观测能力。
照片拍摄于接近满月的夜晚，左侧可见月亮。
版权：ESO/A. Berdeu
2023年春天，团队在人马座A* 附近注意到一个移动迅速、路径弯曲的微弱光点。
他们先拟合出初步轨道，再回到旧资料中寻找它过去应该出现的位置，最终在2021年和2017年的数据里都找到了踪迹。
前后19个位置点，跨越八年多，勾勒出一条彼此吻合的椭圆轨道。
这些轨道扭曲不是在照片上直接“看”出来的，而是通过多年测量“算”出来的：把恒星不同时刻的位置放进不同的引力模型，看哪一种能同时解释全部数据。
目前 S301 沿视线方向的速度还没有测到，它的三维轨道仍有两种镜像解，这也是眼下还无法测量自旋的原因之一。
图5：这组由 GRAVITY 仪器拍摄的图像序列，显示一颗名为S301的恒星比任何其他已知恒星都更接近黑洞。
下面的小圆圈以海王星（Neptune）的轨道大小作为对比。
版权:ESO/GRAVITY合作团队
为什么还要再等十年
S301虽快，跑完一圈仍需8.7年，而且自旋的影响主要集中在它最接近黑洞的那段时间。
它上一次经过近心点是在2023年，下一次大约在2031年前后。
天文学家需要守住这次关键掠过，把新一圈轨道与此前数据比较，并扣除史瓦西进动及附近暗天体的扰动，才可能从接近2度的主要偏转中，分离出最多约0.1度的自旋信号。
因此，“十年”不是物理学规定的最低年限，而是为了覆盖下一次近心点通过并积累足够数据，目前较现实的时间尺度。
论文模拟显示，如果持续观测到2035年前后，并利用欧洲南方天文台的极大望远镜（Extremely Large Telescope）上的MICADO仪器补上视线方向的速度，在黑洞转得较快、方向有利的情况下，研究人员有望测出自旋大小和方向。
这仍是对未来能力的预测。
测出自旋意味着什么
在广义相对论中，一个稳定、孤立的黑洞，其外部性质可以由质量、自旋和电荷来描述。
天体物理黑洞通常几乎不带电，因此最重要的是质量和自旋。
人马座A* 的质量已经测得很精确，自旋却仍没有公认的直接结果。
S301若成功补上这一项，将让我们更完整地认识这颗最近的超大质量黑洞。
自旋还保留着黑洞成长方式的线索：它是长期吞入方向相近的物质，逐渐越转越快，还是经历过方向杂乱的吸积与并合，使旋转不断被削弱？不同道路，可能留下不同的自旋。
更重要的是，这项测量将把广义相对论的检验，从“质量怎样弯曲时空”推进到“旋转黑洞怎样拖动（扭曲）时空”。
参考系拖曳已在地球附近得到验证（地球自转拖曳周围时空，导致卫星轨道和陀螺仪自转轴发生微小进动）；S301则有望把这种检验带到超大质量黑洞近旁的强引力环境。
研究者还推测，S301极端的偏心轨道可能来自“希尔斯机制”：一对紧密双星闯入黑洞的潮汐范围后被撕开，一颗被俘获，另一颗则被高速抛向星系边缘。
两万七千年前，S301发出的微弱红外光从银河系中心启程。
今天，我们把这些光拼成一条轨道。
未来十年，人类等待的不是它简单回到原处，而是看它会不会比不旋转黑洞的理论预期多偏那么一点点。
正是那一点点，可能第一次告诉我们：银河系中心那个看不见的庞然大物，究竟转得有多快。
策划制作
作者丨苟利军 中国科学院国家天文台研究员
审核丨韩文标 中国科学院上海天文台研究员
策划丨高佩雯 江帆
