4 月 16 日，國外媒體曝出天文學家利用歐洲南方天文臺（ESO）的超大望遠鏡（VLT）觀測到一顆恆星在銀河系中心，環繞著超大質量的黑洞運轉著。這一發現驗證了愛因斯坦提出的廣義相對論中所預測的結果。
這一期待已久的結果是在天文學家近 30 年的追蹤觀測之下，依靠近年來發展得越來越精確的科學觀測手段才最終得以實現。
牛頓在其引力理論中預測恆星的運轉軌道應該類似於橢圓形，但這次觀測到的圍繞黑洞運轉的恆星，其軌跡形狀看起來像一個玫瑰花結。這支持了愛因斯坦廣義相對論中的預測：一個天體圍繞另一個天體的束縛軌道並不是封閉的，不像牛頓萬有引力定律那樣，而是在運動平面上向前進。
圖 | “玫瑰花結”一般的運轉軌跡（來源：ESO/L. Calçada）
此前，人們觀測到的水星圍繞太陽的運轉軌跡形狀是支持廣義相對論的第一個證據。
早在 1859 年，法國天文學家勒威耶發現了根據牛頓萬有引力定律計算的水星近日點的進動值與觀測到的結果存在差異。他發現實際觀測值要比根據牛頓定律計算的理論值每世紀快 38 秒，這在當時引發了天文學家們的廣泛關注。他們猜測這個差異是否會因為一個比水星更靠近太陽的行星，受到其引力干擾而引起的？但後來經過多年努力搜索，誰也沒有找到這顆“神秘的行星”。
而後，愛因斯坦在 1915 年發表了著名的廣義相對論，成功地解釋了這個問題。如今在一百多年之後，天文學家發現的環繞在銀河系中心的人馬座 A* （Sagittarius A*，一個非常光亮且緻密的射電波源）身邊的一顆恆星（S2）存在相似的特徵。
這一觀測結果提供了新的愛因斯坦廣義相對論正確的證據，同時還進一步驗證了人馬座 A* 應是一個比太陽質量要大上 400 萬倍的超大質量黑洞。
圖 | 銀河中心位置的圖像，在正中包含著一個被稱為 Sgr A* 的黑洞，被標記為橙色的十字，S2 則是本次觀測到的環繞 Sgr A* 的恆星（來源：ESO/MPE/S. Gillessen et al.）
人馬座 A* 距離太陽 26,000 光年，其很有可能是離地球最近的超大質量黑洞，因此也被人們認為是研究黑洞物理的最佳目標。
人馬座 A* 周圍有這密度較高的恆星群，這為物理學提供了一個從未被探索過的極端重力環境中測試的獨特實驗室。這次天文學家的發現——被稱為 S2 的恆星也位於該高密度恆星群之中，它在不超過 200 億公里的距離內環繞著人馬座 A * 這個 “超大質量黑洞” 運轉，它也是迄今為止發現的距離人馬座 A* 最 “親密” 的恆星之一。當然，或許 “親密” 程度也有限，兩者的距離大概是太陽到地球距離的 120 倍。
2018 年通過 ESO 的超大望遠鏡觀測，天文學家就發現，當 S2 距離人馬座 A* 最近時，其移動速度會超過每小時 2500 萬公里，幾乎是光速的 3%，每 16 年完成一次軌道運轉。
“在跟蹤這顆恆星在其軌道上運轉了超過 25 年之後，我們的精密測量技術在它環繞人馬座 A* 的軌道上終於發現了有力的證據，成功檢測到了 S2 存在史瓦西進動效應。” 德國馬克斯 - 普朗克研究所的天體物理學家 Stefan Gillessen 說。他領導了這次對 S2 的測量分析研究，並發表在了《天文學與天體物理學》（Astronomy & Astrophysics）期刊上。
圖 | S2 在非常接近 “超大質量黑洞” 時的軌跡：當它靠近黑洞時，很強的引力場會使恆星的顏色略微移向紅色，這是愛因斯坦廣義相對論的作用；在此圖形中，為清晰起見，誇大了對象的顏色效果和大小（來源：ESO/M. Kornmesser）
大多數恆星和行星都有一個非圓軌道，因此它們會離其旋轉所圍繞的天體越來越近或越來越遠。
而恆星 S2 的軌道進動，則意味著每當它到達距離 “超大質量黑洞” 最近的點時，其位置都會隨著每一次旋轉而改變。這樣一來，下一次的運轉軌道就會相對於前一個軌道旋轉，從而形成玫瑰花狀。愛因斯坦的廣義相對論提供了關於其軌道變化量的精確預測，而這項研究的最新測量結果與理論計算完全吻合。
這種效應被稱為“史瓦西進動”（Schwarzschild precession），以前人們從未有過對大質量黑洞周圍的恆星進行過相關測量。
歐洲南方天文臺的超大望遠鏡的這項研究，還有助於科學家們更多地瞭解位於銀河系中心的 “超大質量黑洞” 附近的情況，進一步幫助人們揭開黑洞的神秘面紗。
“因為恆星 S2 的測量很好地遵循了廣義相對論，所以我們可以對人馬座 A * 周圍存在有多少不可見物質，例如分佈的暗物質或可能存在的更小的黑洞進行嚴格限制。而這對於理解超大質量黑洞的形成和演化具有重大意義。”參與該項目的法國首席科學家 Guy Perrin 和 Karine Perraut 說道。
如今披露的這一研究結果是科學家們對恆星 S2 長達 27 年觀測的結晶。該研究的大部分時間都在位於智利阿塔卡馬沙漠的歐洲南方天文臺進行。研究團隊通過超大望遠鏡（VLT）及 GRAVITY、SINFONI 和 NACO 等儀器進行了中級超過 330 次的測量，標記恆星位置與速度的數據點的數量證明了該研究的全面性和準確性。
圖 | 歐洲南方天文臺的超大望遠鏡 VLT（來源：ESO）
總而言之，由於 S2 需要花費數年時間才能繞過“超大質量黑洞”，因此追蹤恆星近三十年以揭示其軌道運動的複雜性至關重要。
“我們此前驗證了恆星發出的光具有廣義相對論性質，現在我們已經證明了恆星本身可以感知廣義相對論的影響。”葡萄牙天體物理與引力中心的研究員，也是該項目的主要科學家之一 Paulo Garcia 如是說。
