世界不思議

速度達到光速8%,科學家發現迄今為止最快恆星,就在超級黑洞旁邊

根據科學家的觀測,在地球繞太陽公轉的同時,太陽也帶動著整個太陽系在繞銀河系公轉。太陽繞銀河系中心公轉的速度約為每秒220公里,是地球公轉速度的7倍以上。即便如此,太陽系繞銀河公轉一圈也需要大約2.5億年。

不過,宇宙中比太陽移動速度快的恆星比比皆是。比如一顆名為S2的恆星,在銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*的附近,走在“地獄”的邊緣。儘管距離這個黑洞有足足180億公里,是日地距離的120倍,但它僅僅需要16年就可以公轉一圈。如果它比這個速度慢,就很有可能無法逃脫黑洞恐怖的引力,最終被黑洞吞噬。為了免於被黑洞吞噬,S2必須保持極高的速度。根據計算,它的公轉線速度接近每秒9000公里,也就是達到了光速的3%。由於過於接近黑洞,移動速度又快,因此科學家們在觀測它的時候付出了很多的努力。

長期以來,S2始終保持著距離人馬座A*最近的距離。不過,就在去年,它的這個紀錄被打破了。來自德國科隆大學天體物理學家弗洛裡安·佩斯克(Florian Peissker)所領導的一支科研團隊,發現了一顆更暗、也更靠近銀河系中心的恆星——S62。S62比S2更靠近人馬座A*,最近的時候距離這個黑洞僅24億公里,比天王星和太陽的距離還要近。由於黑洞的強大引力,給它提供了驚人的公轉速度,竟然可以達到每秒20000公里的速度,也就是約等於光速的6.7%,將恆星移動速度的紀錄整整翻了一倍還不止!憑藉著這樣的驚人速度,它僅僅需要9.9年的時間就可以公轉一圈。佩斯克的發現沒有止步於此,他們在接下來的觀測中,發現了多顆這樣的高速移動恆星,其中5顆比S2更接近銀河系的正中心,公轉速度也更加驚人,分別是S4711、S4712 、S4713、S4714和S4715。

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佩斯克興奮地說:“我很慶幸自己有機會在過去的7年間參與到了(與甚大望遠鏡)聯合觀測銀河系中心的項目中,從那個時候開始,我就一直鑽研SINFONI的(近紅外)數據。你要有還原數據的本領、敏銳的眼光、碰些運氣以及時間成本。當然,對低通濾波器及高通濾波器的豐富知識也是必不可少的。”正是憑藉著這些因素,佩斯克才取得了突破,發現了這些行走在刀刃上的恆星。其中,S4711和S4714尤其值得注意。S4711是一顆B型恆星,也就是藍色的大質量恆星,年齡約為1.5億年。雖然它的近質心點有215公里那麼遠,但是公轉週期僅有7.6年,可見它與黑洞之間的平均距離是非常近的。

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相比之下,S4714的公轉週期略長一點,大約是12年。但是,它的偏心率是非常大的。我們知道,天體之間的公轉軌道都不是正圓,而是橢圓形的,衡量其形狀的重要指標就是偏心率,偏心率越大,橢圓越扁。當一個橢圓的偏心率為0時,其實它的形狀就是正圓;而偏心率為1則意味著它是個無限長的橢圓,或者說已經不是橢圓了,對於天體來說,這意味著它已經達到了逃逸速度。而S4714的偏心率達到了驚人的0.985,可見它的軌道有多麼扁。在近質心點,也就是最靠近人馬座A*的位置上,二者之間相距僅19億公里,也就是日地距離的12.67倍。根據開普勒行星定律可以知道,在這個位置上時,S4714的公轉速度也最快。根據計算,此時它的速度竟然可以達到每秒24000公里,是光速的8%!

對於這樣一個瘋狂運行的恆星,科學家們表示十分震驚,此前我們從未發現過如此高速的恆星。佩斯克指出,這就是多年以前科學家提出的一種叫做squeezar的天體的典型代表。2003年的時候,天體物理學家塔爾·亞歷山大和馬克·莫里斯就提出:宇宙中有一些緊緊圍繞著黑洞進行公轉的恆星,並稱之為squeezar。在每次經過近質心點的時候,潮汐力都會將恆星的一小部分動能轉化為熱能。這一方面會讓恆星更加耀眼,另一方面會讓恆星的軌道逐漸縮小。也就是說,一顆恆星只要進入這個軌道,它就已經行將就木了。佩斯克指出,S4711和S4714都是squeezar的候選者,而後者的身份尤其無可爭議,它是人類歷史上觀測到的第一顆squeezar。

這個發現令人興奮不已,因為它給科學家們提供了許多觀測的好機會。通過S4714以及其他squeezar,科學家可以有效地追蹤恆星在超大質量黑洞周圍運行的規律,以及被吞噬的過程。同時,它們所處的極端條件,也是科學家們驗證愛因斯坦廣義相對論的絕佳機會。我們知道,愛因斯坦的廣義相對論是無法在普通的世界裡進行研究的,而黑洞提供的強大引力、squeezar的超高速度,都是使相對論效應更加明顯的前提條件。在此之前,科學家們就已經利用S2的光線在人馬座A*周圍的扭曲方式,以及它的公轉方式進行了對廣義相對論的驗證。而上面我們說的5顆新發現的恆星,也同樣驗證了愛因斯坦在百年前提出的理論。

雖然這些天體非常遙遠,但它們卻成為了驗證相對論的最佳對象。在被黑洞吞噬的前夕,這些恆星用最後的光和熱為人類的研究作出了貢獻。早前,SINFONI已經退役,我們需要更多先進的望遠鏡加入到對這些極端天體的研究中來。佩斯克形像地比喻說:這些極端環境下的天體對於科學家來說,就像是小孩子看見了糖一樣欲罷不能。而正是這份赤子之心,才能讓科學更加純粹,真正能夠讓科學家心無旁騖,為人類的進步作出巨大貢獻吧。

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