S301 飛掠人馬座 A*：這顆最快恆星可能測出黑洞自轉

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（ESO）甚大望遠鏡干涉儀（VLTI）上的 GRAVITY 儀器發現 S301。當時這顆恆星出現在人馬座 A* 西北方約 15 毫角秒的位置，隨後在 2023 年的觀測期間向外移動，呈現快速且略帶彎曲的運動軌跡。

研究人員先根據這些觀測資料估算 S301 的軌道，再回頭搜尋過去的 GRAVITY 檔案影像，成功在 2021 年、接著是 2017 年的資料中辨認出它。這些更早的觀測延長了追蹤時間，也讓 S301 的軌道解釋更具可信度。

但目前的軌道仍屬初步結果。尤其研究團隊尚未取得 S301 的徑向速度，也就是恆星沿著觀測者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、近日點時間與軌道參數仍十分重要。

為什麼它可能測出黑洞自轉？

旋轉中的黑洞不只是以重力吸引周遭天體。根據廣義相對論，黑洞的角動量會拖曳附近的時空一同旋轉，這種現象稱為「框拖效應」，也稱為 Lense–Thirring 進動。對繞行黑洞的恆星而言，框拖效應可能逐漸改變其軌道平面的方向。

這種效應會隨距離增加而迅速減弱，因此 S301 極小的近日點距離，讓它比那些在更外圍運行的恆星更容易感受到人馬座 A* 的自轉。若天文學家持續以高精度測量 S301 的位置，就可能在多年累積的軌道變化中，找出旋轉黑洞所預測的細微偏移，並與不旋轉黑洞應有的結果進行比較。

需要注意的是，這仍是未來的觀測機會，而不是已經完成的黑洞自轉測量。研究團隊預計在 S301 於 2031 年底接近近日點前持續進行天體測量，並在近日點後再追蹤約十年，藉此判斷累積的軌道變化較符合快速旋轉，還是近乎靜止的黑洞。

更長期的目標：檢驗無毛定理

S301 未來或許還能協助進行更嚴格的測試，例如測量黑洞的四極矩。四極矩描述的是自轉如何進一步改變黑洞重力場的形狀，屬於質量與自轉以外、更細微的重力特徵。

在廣義相對論的克爾解中，一個孤立黑洞對外可測量的性質主要由質量與自轉決定；對天體物理黑洞而言，電荷通常預期可以忽略。若能測試自轉與四極矩之間是否符合這項預測，就能探討著名的「無毛定理」：黑洞不應保留質量、自轉與電荷以外的獨立外部特徵。

然而，測量四極矩遠比測量自轉困難。四極矩造成的訊號更微弱，也可能與銀河系中心其他恆星或未被看見的緻密天體所造成的重力擾動混淆。因此，研究人員把這項工作視為長期可能達成的目標，而非已確定能夠完成的測量。

接下來要觀察什麼？

目前最直接的工作，是持續追蹤 S301 並改善其軌道模型。更多觀測資料將有助於取得徑向運動、縮小近日點時間與距離的不確定性，也能幫助研究人員把廣義相對論效應，與銀河系中心周遭恆星環境造成的重力擾動區分開來。

如果目前預測的軌道獲得後續觀測支持，S301 將成為研究超大質量黑洞自轉及其對附近時空影響的特殊工具。它以創紀錄速度飛馳是最吸引目光的部分，但真正的科學價值，在於這顆微弱、快速移動的恆星，可能把人馬座 A* 變成一個可進行精密測試的宇宙實驗室。