上世纪90年代,当德国马克斯·普朗克地外物理研究所的科学家们将目光投向银河系中心时,他们发现了一个奇特的现象:在人马座方向密集的星群中,有几颗恒星的运行轨迹显得格外狂野。其中编号S2的恒星尤其引人注目,它像被无形绳索牵引的陀螺,以16年为周期进行着疯狂的绕圈运动。天文学家们敏锐意识到,这背后必定隐藏着宇宙级质量的"舞伴"——一个质量相当于400万颗太阳的超大质量黑洞,也就是后来被命名为人马座A*的神秘天体。
为了捕捉S2的每一个轨迹,欧洲南方天文台搬出了镇馆之宝——位于智利阿塔卡马沙漠的甚大望远镜(VLT)。这个由4台8.2米口径望远镜组成的阵列,能看清月球上的一根火柴燃烧的细节。从1994年到2020年,科学家们累计进行了330次精密测量,记录下S2在黑洞引力场中划出的每道弧线。2018年5月,当S2以200亿公里的最近距离擦过黑洞时(这个距离相当于冥王星到太阳的四倍),观测团队甚至检测到了因时空扭曲引发的星光红移——就像高速驶离的救护车警笛声调降低,S2发出的蓝光在强大引力作用下变成了红色。
这颗恒星的质量至今仍是个有趣的谜题。虽然直接测量的数据尚未公布,但天文学家们通过对比同类天体找到了线索。银河系中心被称为"恒星托儿所"的区域里,年轻的大质量恒星比比皆是。根据光谱分析和运动轨迹反推,S2应该是个约15-30倍太阳质量的"重量级选手"。这个质量区间让它既能保持自身结构的稳定,又不会因过于庞大而过早耗尽核燃料。有趣的是,这个估算结果恰好处于理论预言的黑洞潮汐撕裂临界值之上——如果S2再轻些,恐怕早就被黑洞撕成星尘了。
说到速度,S2在近黑洞点的瞬时速度能达到光速的2.55%,即每秒7650公里。这个速度是什么概念呢?我们太阳系全家以每秒220公里的速度绕银河系中心旋转,而S2的速度足足是我们的35倍。如果把地球以这个速度发射,只需要40分钟就能抵达火星。但更令人惊叹的是,如此疯狂的速度竟完美符合爱因斯坦的广义相对论预测——当S2掠过黑洞时,它的运动轨迹并非传统物理预言的闭合椭圆,而是像玫瑰花结般旋转前移,每个周期都会在轨道平面上留下约12角分的偏移。
这场持续了四分之一个世纪的观测盛宴,不仅验证了百年前的理论预言,还带来了意外收获。通过分析S2的运行轨迹,科学家们精确计算出人马座A*黑洞的质量相当于430万个太阳,并将这个宇宙怪兽的活动范围锁定在比水星轨道还小的区域内。更妙的是,S2的星光在穿越黑洞周围的扭曲时空时,还捎带来了关于时空本质的信息,为研究引力波和量子引力理论提供了珍贵的数据。
那么s2的未来结局将会如何?以它当前的轨道稳定性来看,至少在未来百万年内还能继续这场危险的狂飙游戏。但随着每次近距离接触时能量的损耗,S2的轨道可能会逐渐收缩,并最终坠入人马座A*。另一种可能是,当它核心的氢燃料耗尽时,会膨胀成红巨星并开始抛洒物质——这些被剥离的气体将在黑洞周围形成明亮的吸积盘,上演最后的烟花秀。
在这场跨越时空的观测之旅中,S2恒星用光年尺度上的律动诉说着时空的本质。