S301以8%光速繞行人馬座A*，終可測量其自轉

某個天體正以極高速度和極近距離繞行銀河系中心的黑洞，這使得關於旋轉物體——不只是大質量天體——的物理終於得以檢驗。由馬克斯·普朗克地外物理研究所團隊利用歐洲南方天文台的VLTI所識別的S301，從距離人馬座A* 17.8億公里處掠過——這個距離相當於太陽與土星之間的間距。它的速度約為每秒25,000公里，即光速的8%。在這片星系區域中，沒有任何被追蹤的恆星飛得這麼快或這麼近。

讓S301與銀心附近其他高速恆星有所區別的，不只是速度本身——而是其後果。在如此近的距離下，愛因斯坦的廣義相對論預言，旋轉的黑洞會拖曳周圍的時空，這個效應稱為框架拖曳（frame-dragging）或透鏡-瑟林效應（Lense-Thirring effect）。由於S301深入這個區域，其軌道應會攜帶可測量的人馬座A*自轉速率印記。這是任何已知恆星從未達到過的。

「透過這顆恆星，我們希望在未來10年內測量出黑洞的自轉，」該研究的主要作者、馬克斯·普朗克地外物理研究所研究員費利克斯·芒（Felix Mang）表示。目前尚無人馬座A*自轉的直接測量。S301可望提供一個。

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不同層級的S星

人馬座A*周圍有一群高速移動的恆星，稱為S星，過去30多年來一直被編目，並用來描繪黑洞的引力影響。其中最知名的S2，提供了人馬座A*質量為400萬太陽質量的第一個直接證據——這項成果讓萊因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）與安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）獲得2020年諾貝爾物理學獎。S2在最接近時速度約為每秒7,650公里，約為光速的2.5%，軌道週期16年。

S301的完整軌道週期為8.7年——不到S2的一半時間——且在接近時的速度是S2近心點速度的三倍。更重要的是，它從距離人馬座A*約12天文單位處掠過，比任何先前已知的S星都近了約八倍。在這樣的距離下，廣義相對論效應不僅存在；它們在軌道中的累積速率，足以讓帕瑞納天文台的儀器逐年追蹤。

這項發現是利用GRAVITY+完成的，這是智利歐洲南方天文台帕瑞納天文台原始GRAVITY干涉儀的次世代升級版。GRAVITY+結合四座8.2米望遠鏡的光線，達到解析銀心周圍緻密、塵埃遮蔽的星團中單顆恆星所需的角解析度。透過追蹤S301在多個觀測時期的位置變化，該團隊重建了其完整軌道，精度足以確定近心點距離和最高速度。

為什麼自轉如此重要

人馬座A*的質量多年來已知。但質量只是黑洞可能具備的兩個基本屬性之一，另一個是電荷——天體物理學中的黑洞預期會在真實環境中快速失去電荷。剩下的屬性就是自轉。根據愛因斯坦場方程式的克爾解（Kerr solution），旋轉黑洞帶有角動量，而這種自轉塑造了其周圍時空的幾何形狀，其影響超出了單獨質量所產生的效應。

人馬座A*的自轉速度與方向，決定了其事件視界的結構以及附近任何天體的軌道。目前透過間接方法——對2022年事件視界望遠鏡影像中觀測到的吸積盤輻射進行建模——得出的估計顯示，它可能以中等速率自轉，但不確定性仍然很大，足以涵蓋大部分允許範圍。而利用S301的軌道進動來測量，將是首次直接確定。

透鏡-瑟林效應會使繞旋轉天體運行的恆星軌道平面發生進動——即緩慢旋轉——其速率與黑洞自轉參數成正比。對於S301，團隊計算出這種進動將在未來幾年GRAVITY+的觀測中累積到可偵測的程度。

數據尚未解決的問題

有幾個重要限制。S301的軌道——速度、週期和近心點距離——現已確立。框架拖曳進動尚未被偵測到；這是一個未來的測量，需要觀察該恆星再多幾次繞行人馬座A*。

以天體物理學標準而言，銀心的環境也很嘈雜。該區域恆星、氣體和暗物質的分佈會產生牛頓引力擾動，可能以模仿相對論進動的方式改變軌道。要提取透鏡-瑟林信號，需要對這些貢獻進行建模並扣除，這為最終測量增加了複雜性和不確定性。

最後，S301的發現本身促使我們更仔細地搜尋。人馬座A*周圍的內側星團受到塵埃的嚴重遮蔽，而GRAVITY+只能探測到一定範圍。仍有可能存在更近的恆星，其軌道特徵帶有更強或不同的相對論印記。

關於S301與人馬座A*的常見問題

科學家是如何找到如此靠近銀心的恆星的？甚大望遠鏡干涉儀的GRAVITY+儀器結合四座8米望遠鏡的光線，達到解析人馬座A*周圍緻密星團中單顆恆星所需的解析度。透過多年追蹤微小的位置變化，該團隊重建了S301的完整軌道。

什麼是框架拖曳，為什麼它很重要？旋轉的質量會拖曳其周圍的時空結構——自轉越快，拖曳越強。在旋轉黑洞附近，這種效應會改變附近天體的軌道路徑，變化的方式取決於自轉的大小和方向。透過恆星軌道測量它，可以直接讀出黑洞的角動量——這是目前其他方法對於人馬座A*從未實現的。

S301與人馬座A*附近的其他S星相比如何？S2是研究最多的S星，在最接近時距離約100天文單位，週期16年。S301則近了八倍，週期8.7年，近心點速度為其三倍。這種近距離與短週期的組合，使其對框架拖曳具有獨特的敏感性。

這會改變我們對銀河系黑洞的認識嗎？人馬座A*的自轉目前不受直接測量約束。確定它將完成對我們星系中心黑洞的基本物理描述，並開啟在恆星軌道之前從未達到過的強場旋轉環境中對廣義相對論的測試。

GRAVITY+的觀測將在S301的多次軌道週期中持續進行。該團隊預期框架拖曳進動將在大約十年內達到可偵測水平——這個時間表足夠短，以至於發現S301的相同儀器和團隊很可能自行完成自轉測量。

參考文獻：費利克斯·芒 等人, “S301: a new S star orbiting close to Sagittarius A*,” 《自然》, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-13886-5.

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

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