S301：銀河系最快恆星，或揭開人馬座A*黑洞自轉之謎

S301是一顆非常暗淡的恆星，正以目前已知最緊密、最快速的恆星軌道，繞行銀河系中心的超大質量黑洞——人馬座A*（Sagittarius A*，簡稱Sgr A*）。在最接近黑洞的一刻，它預計會加速至約每秒25,000公里，即光速約8%；同時與黑洞的距離，只有約地球與太陽距離的12倍。

S301的科學價值，並不只在於它飛得快。真正關鍵是它會非常貼近黑洞掠過。透過長期、高精度測量S301的位置和運動，天文學家或有機會量度人馬座A*的自轉，並在一個極強引力環境下檢驗廣義相對論的預測。

8.7年一周的「針狀」橢圓軌道

S301沿着一條高度拉長、形狀近似針狀的橢圓軌道運行，完成一周約需8.7年。人馬座A*位於橢圓軌道的一端，S301會在那裏經過最接近黑洞的位置，這個位置稱為近心點（pericenter）。

研究估算，S301在近心點距離黑洞約12個天文單位，即約為太陽至土星的距離；以研究報告採用的尺度計算，約相當於280個引力半徑。

當S301被黑洞引力拉近，速度會急劇上升。預測中的最高速度約為每秒25,000公里，令它成為目前在銀河系內觀測到速度最快的恆星，也是已知最接近人馬座A*的恆星探針。

不過，S301本身十分暗淡，報告所指的K波段星等約為19.3。研究人員相信它很可能是一顆主序星，但由於亮度太低，要精確了解它的性質仍然相當困難。

研究團隊如何找到S301？

GRAVITY團隊在2023年春季，利用歐洲南方天文台甚大望遠鏡干涉儀（VLTI）上的GRAVITY儀器發現S301。當時它位於人馬座A*西北方約15毫角秒的位置；在接下來的2023年觀測中，天文學家看到它向外移動，運動速度很快，而且軌跡出現輕微彎曲。

研究人員根據這些位置資料初步推算S301的軌道，再反過來尋找它在更早年份應該出現的位置。他們先在2021年的GRAVITY存檔數據中重新辨認出S301，之後亦在2017年的觀測資料中找到它。這些更早的紀錄拉長了觀測時間跨度，令軌道解釋更有支持。

但目前的軌道仍屬初步結果。尤其是研究團隊尚未取得S301的徑向速度測量——亦即它沿着我們視線方向移動的速度。因此，未來觀測對於完善它的三維運動及軌道參數非常重要。

為甚麼S301有望量度黑洞自轉？

自轉中的黑洞不只是單純吸引附近物體。按照廣義相對論，黑洞的角動量會拖曳周圍時空一起轉動，這種效應稱為「框架拖曳」或「Lense–Thirring進動」。對繞行中的恆星來說，這種時空扭曲會逐漸改變其軌道平面的方向。

框架拖曳效應會隨距離增加而迅速減弱。因此，S301的近心點距離特別短，令它比在較遠軌道運行的恆星更容易受到人馬座A*自轉的影響。天文學家如果能反覆以極高精度測量S301的位置，就可以尋找這些細微但會逐步累積的軌道變化，再與「黑洞沒有自轉」情況下預期出現的變化作比較。

不過，這仍然是未來的觀測機會，並不是研究團隊已經量度到黑洞自轉。按照目前預測，在S301預計於2031年年底接近人馬座A之前，以及其後約10年的持續天文測量，或可分辨累積的軌道偏移究竟較符合高速自轉，還是近乎不自轉的人馬座A。

更長遠：檢驗「無毛定理」

S301日後或可協助進行一項更嚴格的測試：量度黑洞的四極矩（quadrupole moment）。簡單來說，四極矩描述自轉如何令黑洞的引力場形狀，出現超越單純質量及自轉效應的改變。

在廣義相對論的Kerr黑洞解中，一個孤立黑洞對外可測量的主要性質，應由質量和自轉決定；對天體物理學上的黑洞而言，電荷預計可以忽略。測試自轉與四極矩之間是否符合這項理論預測，便可以探討所謂的「無毛定理」。

但量度四極矩，難度遠高於量度自轉。四極矩造成的訊號更微弱，亦可能與銀河系中心其他恆星，或尚未被看見的緻密天體所造成的引力擾動混在一起。因此，研究人員把它視為長遠的可能目標，而不是已確定可以完成的測量。

下一步要做甚麼？

現階段最重要的工作，是繼續追蹤S301並改善軌道模型。更多觀測資料可以協助研究人員測定它的徑向運動、更準確計算近心點出現的時間和距離，亦有助分辨相對論效應與銀河系中心周圍恆星環境所帶來的不確定性。

如果目前預測的軌道獲得確認，S301將成為研究超大質量黑洞自轉，以及自轉如何影響附近時空的一個極敏感工具。它飛得快固然是最吸睛的地方，但這顆暗淡恆星真正重要之處，是有機會變成一支探測人馬座A*的精密「時空探針」。