S301：贴近人马座A*疾驰的恒星，可能测出黑洞自旋

银河系中心的超大质量黑洞人马座A*（Sagittarius A*，简称Sgr A*）附近，新增了一名速度惊人的“探针”：一颗名为S301的暗淡恒星。

S301沿着一条极度狭长的椭圆轨道运行，周期约为8.7年。它最接近黑洞时，预计可达到约25000千米每秒，相当于光速的约8%；与人马座A*的距离约为12个天文单位，也就是地球到太阳距离的12倍，尺度大致相当于太阳到土星的距离。

但S301的科学价值并不只是“跑得快”。真正关键的是，它的轨道足够靠近黑洞，恒星位置随时间发生的细微变化，可能帮助天文学家测量人马座A*的自旋，并在极强引力环境中检验广义相对论的预言。

一条极端狭长的8.7年轨道

S301的轨道呈高度拉长的椭圆形，人马座A*接近椭圆的一端。恒星在轨道上不断接近黑洞，经过最近点——也称近日点——后再高速飞离。

研究报告给出的近日点距离约为12个天文单位，在相关轨道测量中约相当于280个引力半径。随着S301坠向黑洞，强大引力会令其速度显著增加；在近日点附近，它的理论峰值速度约为25000千米每秒，因此成为目前银河系中已知运行速度最快、也最接近人马座A*的恒星探针。

S301本身却非常暗淡，K波段星等约为19.3。研究人员认为它很可能是一颗主序星，但由于亮度极低，对其性质进行精确判断仍然困难。

研究团队如何找到它

GRAVITY团队在2023年春季通过欧洲南方天文台甚大望远镜干涉仪（VLTI）上的GRAVITY仪器发现了S301。当时，这颗恒星位于人马座A*西北方向约15毫角秒处；在随后几个月的观测中，它向外移动，并呈现出快速且略带弯曲的运动轨迹。

在根据2023年的位置估算出S301可能的运行轨道后，研究人员回到GRAVITY的历史档案中寻找它在更早时期应出现的位置。他们先在2021年的数据里找到了这颗恒星，随后又在2017年的观测资料中确认了它，从而显著延长了观测时间跨度，也增强了轨道判断的可信度。

不过，目前公布的轨道仍属于初步结果。研究人员尚未获得S301的径向速度测量值，也就是它沿我们视线方向运动的速度。因此，未来观测对于完善这颗恒星的三维运动和轨道参数至关重要。

为什么它可能测出黑洞自旋

旋转中的黑洞不仅会通过引力吸引周围天体。根据广义相对论，黑洞的角动量还会“拖动”周围的时空，使附近物体所处的时空结构发生扭曲。这种效应被称为时空拖曳，也称伦泽–蒂林进动（Lense–Thirring precession）。

对于围绕黑洞运行的恒星来说，时空拖曳会逐渐改变其轨道平面的方向。效应强度会随着距离增加而迅速减弱，因此S301较小的近日点距离，使它比那些运行在更远轨道上的恒星更容易受到黑洞自旋影响。

如果天文学家能够长期、高精度地测量S301在天空中的位置，就有机会寻找这种累积性的轨道变化，并将观测结果与两种情形进行比较：一种是人马座A*快速旋转，另一种是黑洞基本不旋转。需要强调的是，这仍是未来可能实现的测量，目前并不是已经完成的自旋探测。

按照目前的轨道预测，S301将在2031年末前后再次经过近日点。研究人员计划在这次近距离掠过之前持续观测，并在此后约十年继续追踪。更长时间的观测有望逐步分辨出黑洞自旋造成的微小轨道偏移。

更长期目标：检验“无毛定理”

如果未来数据足够精确，S301还可能帮助科学家开展更严格的测试，例如测量黑洞的四极矩。

四极矩可以理解为黑洞自旋对其引力场形状造成的更高阶影响。根据广义相对论中的克尔解，一个孤立黑洞在外部可测量的性质应主要由质量和自旋决定；对于天体物理黑洞来说，电荷通常预计可以忽略。检验自旋与四极矩之间是否符合理论预言，就能进一步探查所谓的“无毛定理”。

不过，测量四极矩远比测量自旋困难。相关信号更微弱，还可能与银河系中心其他恒星或未被发现的致密天体造成的引力扰动混在一起。因此，研究人员将其视为长期可能实现的目标，而不是已经确定能够完成的测量。

接下来要看什么

眼下最重要的工作，是继续追踪S301并改善其轨道模型。更多观测数据可以帮助研究人员测出径向运动，进一步确定近日点经过的时间和距离，并把广义相对论效应与银河系中心复杂恒星环境带来的不确定性区分开来。

S301最引人注目的标签或许是“银河系最快恒星”，但它真正的价值在于：这颗极其暗淡、运行极其迅速的恒星，可能成为研究人马座A*自旋以及附近时空结构的精密工具。