S301 的极端轨道，可能揭开银河系中心黑洞自旋之谜

一颗几乎淹没在银河系中心强烈背景光中的暗淡恒星，正在为研究黑洞提供一把新的“探针”。天文学家确认，编号为 S301 的恒星以约每秒2.5万公里的速度绕行银河系中心超大质量黑洞 Sagittarius A*（简称 Sgr A*），是目前已知距离该黑洞最近、运行速度最快的恒星。

它绕黑洞一周只需 8.7年，而下一次接近黑洞的近心点过程预计将在 2031年前后发生。届时，天文学家或许能首次较直接地测量 Sagittarius A* 的自旋；不过，现有研究并不支持仅凭S301一次近心点事件就检验黑洞“无毛定理”。

S301的轨道有多极端？

S301是一颗非常暗淡的主序星，在K波段的星等约为19.3。它的轨道偏心率约为 0.982—0.983，意味着轨道极度拉长：恒星大部分时间位于远离黑洞的区域，只有在近心点短暂冲入强引力区，然后高速掠过。

在最近点，S301距离 Sagittarius A* 约 280个引力半径，也就是略超过 12个天文单位（AU），大致相当于太阳到土星的距离。 这一距离约为S2恒星最近接近距离的十分之一，因此S301比此前用于研究银河系中心黑洞的著名恒星S2更深入强引力环境。

S301在近心点的最高速度约为 每秒2.5万公里，超过光速的8%，成为目前银河系中已知运行速度最快的恒星。 作为对比，S2在2018年近心点附近的速度约为每秒7650公里，约为光速的3%。

天文学家如何发现并确认它？

S301最初是在2023年春季，由欧洲南方天文台（ESO）甚大望远镜干涉仪（VLTI）上的近红外干涉仪 GRAVITY 发现的。银河系中心区域恒星密集、背景明亮，而S301本身极其暗淡，因此这项识别对仪器的灵敏度和定位精度都提出了很高要求。

研究人员随后利用GRAVITY在 2023年至2025年获得的天体测量数据，记录S301在天空中的精确位置，并据此拟合出初步轨道。更关键的是，研究团队根据这一轨道模型向过去回推，成功在 2021年和2017年的存档观测中重新找到这颗恒星。能够用新模型预测并找回早期信号，为S301确实沿这条极端轨道运行提供了重要交叉验证。

目前，光谱观测还没有为S301提供直接的径向速度测量。因此，现阶段的轨道解主要依赖高精度天空位置数据；未来借助超大口径望远镜的光谱观测，研究人员有望进一步确定它完整的三维运动状态。

为什么S301有机会测量黑洞自旋？

根据广义相对论，旋转黑洞不仅会产生引力，还会拖拽周围的时空。这种现象被称为 伦塞—蒂林框拖效应（Lense–Thirring frame dragging）。可以把它理解为：黑洞的角动量会使附近时空发生轻微扭转，进而让倾斜运行天体的轨道平面和轨道节点逐渐发生进动。

S301的优势在于，它的近心点足够接近 Sagittarius A*，且轨道偏心率极高。黑洞自旋造成的微小轨道变化，会集中出现在恒星高速掠过近心点的短暂阶段。利用GRAVITY的高精度红外干涉测量，再结合未来的光谱数据，研究人员或许能够从轨道节点的变化中约束黑洞自旋的 大小和方向。

这将把对银河系中心的相对论检验推进一步。此前，S2轨道中已经测得主要由黑洞质量引起的史瓦西进动；而S301则有望帮助检验旋转黑洞对应的 克尔时空，进一步考察爱因斯坦广义相对论在更强引力环境中的表现。

2031年的观测能回答什么问题？

如果研究团队能在预计的2031年近心点前后进行密集的天体测量和光谱监测，S301轨道中的相对论效应将获得最好的观测条件。连续追踪恒星如何进入、穿过并离开强引力区域，可能让天文学家直接识别伦塞—蒂林框拖引起的轨道变化，并据此测量 Sagittarius A* 的自旋。

但 四极矩 是更困难的目标。黑洞四极矩描述其引力场中更高阶的结构信息；在克尔黑洞模型中，它并不是一个可以任意变化的独立参数，而是由黑洞的质量和自旋决定。相关研究估计，S301上的自旋—四极矩信号只有伦塞—蒂林效应的大约 4%，对这条轨道而言可以视为非常微弱。

因此，2031年的S301观测即使成功测出黑洞自旋，也不太可能单独完成对 无毛定理 的决定性检验。无毛定理要求研究人员同时检验：黑洞的四极矩是否符合由其质量和自旋所确定的克尔黑洞关系。

要达到这一目标，未来可能需要距离黑洞更近的恒星、多个相互独立且适合测量的恒星轨道，或其他观测手段共同提供证据。换句话说，S301更像是打开这扇门的第一把钥匙：它有望帮助科学家测量银河系中心黑洞的自旋，但距离完整检验黑洞“只有质量和自旋、没有额外毛发”的理论，仍有相当长的路要走。