S301以8%光速绕行人马座A*，终可测量其自转

有一个天体正以极快速度、极近距离绕银河系中心黑洞运行，以至于自转物体（而不仅仅是质量巨大的物体）的物理规律终于可以被检验。这个天体名为S301，由马克斯·普朗克地外物理研究所的一个团队利用欧洲南方天文台的VLTI发现，它在距离人马座A* 17.8亿公里处掠过——这一距离与太阳到土星之间的空隙相当。其速度约为每秒25,000公里，即光速的8%。在银河系该区域跟踪到的所有恒星中，没有哪一颗跑得这么快，也没有哪一颗靠得这么近。

S301与银河系中心附近其他快速恒星的区别并不仅仅在于速度——而在于其后果。在如此近的距离上，爱因斯坦广义相对论预言，自转的黑洞会拖拽周围的时空，这一效应称为参考系拖拽或伦斯-瑟林效应。由于S301深入这一区域，其轨道应携带人马座A*自转速度的可测量印记。这是任何已知恒星都未曾实现过的。

“借助这颗恒星，我们希望在未来10年内测量出黑洞的自转速度，”该研究的主要作者、马克斯·普朗克地外物理研究所研究员费利克斯·芒（Felix Mang）表示。目前尚无对人马座A*自转的直接测量。S301或可提供这样的测量。

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另一类S星

人马座A*被一群快速运动的恒星群——S星——所包围，这些恒星已被编录超过三十年，用于描绘黑洞的引力影响。其中最著名的是S2，它首次直接证据表明人马座A*的质量为400万太阳质量——这一工作为莱因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和安德莉娅·盖兹（Andrea Ghez）赢得了2020年诺贝尔物理学奖。S2在最接近时速度约为7,650 km/s，约光速的2.5%，轨道周期16年。

S301完成完整轨道需8.7年——不到S2时间的一半——且在最近点移动速度是S2自身近心点速度的三倍。更重要的是，它距人马座A*约12个天文单位，比任何此前已知的S星都近了大约8倍。在此距离上，广义相对论效应不仅存在，而且以帕拉纳尔天文台的仪器能逐年追踪的速率在轨道上累积。

这一发现利用了GRAVITY+，它是智利欧洲南方天文台帕拉纳尔天文台原GRAVITY干涉仪的下一代升级版。GRAVITY+将四台8.2米望远镜的光结合，达到解析银河系中心周围密集且被尘埃遮蔽的星团中单个恒星所需的角分辨率。通过追踪S301在多个观测时期的位置，该团队重建了其完整轨道，精度足以确定其近心距离和峰值速度。

自转的重要性

人马座A*的质量已知道多年。但质量只是黑洞可能拥有的两个基本属性之一，另一个是电荷——而天体物理黑洞在真实环境中预计会很快失去电荷。剩下的属性就是自转。根据爱因斯坦场方程的克尔解，旋转黑洞携带角动量，且该旋转以超出质量单独影响的方式塑造其周围时空的几何结构。

人马座A*自转有多快、方向如何，决定其视界结构和附近任何物体的轨道。当前来自间接方法（对2022年事件视界望远镜图像中观测到的吸积盘辐射进行建模）的估计表明，它可能以中等速率自转，但不确定性仍然很大，足以覆盖允许范围的大部分。通过S301轨道进动进行测量将是首次直接测定。

伦斯-瑟林效应使恒星绕自转体运行的轨道平面发生进动——缓慢旋转——速率与黑洞自转参数成正比。对于S301，团队计算表明，在未来几年用GRAVITY+观测期间，这种进动将积累到可探测水平。

数据尚未解决什么

存在几个重要的限制。S301的轨道——其速度、周期和近心距离——现已确定。框架拖曳导致的进动尚未被探测到；这是一项未来测量，需要观测该恒星再绕人马座A*数圈。

以天体物理标准衡量，银河系中心的环境也很嘈杂。该区域恒星、气体和暗物质的分布会产生牛顿引力摄动，可能以类似于相对论进动的方式改变轨道。提取伦斯-瑟林信号需要对这些贡献进行建模并扣除，这为最终测量增添了复杂性和不确定性。

最后，S301的发现本身也促使人们更仔细地搜寻。人马座A*周围的内星团被尘埃严重遮蔽，GRAVITY+只能探测有限范围。仍有可能存在更近的恒星，其轨道特征包含更强或不同的相对论印记。

关于S301与人马座A*的常见问题

科学家如何发现这么靠近银河系中心的恒星？甚大望远镜干涉仪的GRAVITY+仪器结合了四台8米望远镜的光，达到解析人马座A*周围密集星团中单个恒星所需的分辨率。通过多年追踪微小位置变化，团队重建了S301的完整轨道。

什么是框架拖曳，为什么它很重要？旋转质量会拖曳周围的时空结构——自转越快，拖曳越强。靠近旋转黑洞时，这会改变附近物体的轨道路径，变化方式取决于旋转的大小和方向。通过恒星轨道测量它，可直接读出黑洞的角动量——当前其他方法对于人马座A*都未能做到这一点。

S301与人马座A*附近的其他S星相比如何？S2是研究最多的S星，它在16年周期中最接近距离约100天文单位。S301则接近8倍近，周期8.7年，近心速度是其三倍。这种近距离与短周期的组合使其对框架拖曳极为敏感。

这将改变我们对银河系黑洞的认识吗？人马座A*的自转目前没有直接测量约束。确定它将完成对银河系中心黑洞基本物理描述的最后一环，并开启在恒星轨道此前未触及的强场旋转环境中对广义相对论的检验。

对GRAVITY+的观测将在多个S301轨道周期内继续进行。团队预计框架拖曳进动在大约十年内将达到可探测水平——这个时间线足够短，以至于发现S301的同一套仪器和团队很可能自己做出自转测量。

参考文献：Mang et al., “S301: a new S star orbiting close to Sagittarius A*,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10386-w

标签: black holes, Sagittarius A*, ESO, frame-dragging, GRAVITY+, S301

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