数十颗恒星正以极高的速度围绕银河系中的巨大黑洞运行。图片来源：ESO/L. CALCADA

天文学家发现了一颗围绕银河系中心超大质量黑洞运行的恒星，它距离黑洞是如此之近，以至于后者强大的引力场使其速度飙升至每秒2.5万公里——超过8%的光速。这颗恒星也因此成为银河系中已知速度最快的恒星。8月19日，相关研究成果发表于《自然》。

此前对其他紧密围绕银河系中心运行的恒星的观测，使研究人员得以确认黑洞的位置并测量其质量。而这颗新发现的恒星有望揭示黑洞的另一个关键属性——自旋。

德国马克斯·普朗克地外物理研究所（MPE）领衔的研究团队在论文中描述了他们发现的一颗被命名为S301的恒星。这颗恒星距离银河系超大质量黑洞（质量是太阳的430万倍）很近，如果这个黑洞位于太阳系中心，其事件视界，即连光都无法逃脱的边界，将达到太阳直径的17倍。S301的轨道极为细长，但每隔8.7年，它就会掠过这个黑洞。

此前的纪录保持者S2的掠过距离大约是S301的10倍。自20世纪90年代以来，MPE的天文学家一直在布满恒星且被尘埃遮蔽的银河系中心追踪S2。MPE团队与美国加州大学洛杉矶分校的另一个团队共同证明，只有超大质量黑洞能够解释S2的轨道特征，这项工作使他们共同获得了2020年诺贝尔物理学奖。之后，MPE团队证明，当S2从黑洞深邃的引力势阱中“爬出”时，其光谱会向红端偏移——这是阿尔伯特·爱因斯坦提出的广义相对论的一个关键预言。该团队还发现，S2的轨道会缓慢旋转，这一现象被称为史瓦西进动，是广义相对论的另一个预言。

为了观测S301，MPE团队使用了位于智利的欧洲南方天文台的甚大望远镜（VLT），后者由4台8.2米口径的望远镜组成。他们利用一种名为GRAVITY的仪器，将4台望远镜收集到的光线合并，从而获得了相当于200米口径望远镜的分辨能力，足以追踪2.7万光年外的恒星轨道。

2023年初，研究团队利用GRAVITY进行月度观测时首次发现了S301。尽管S301的亮度为S2的1/100，但后续观测显示它正迅速远离黑洞。到2024年，其运行轨迹开始弯曲，并在接近轨道最远点时减速。“到2024年底，我们已经对其轨道作了大致的估算。”论文作者、MPE的Stefan Gillessen表示，“到2025年底，我们已经相当确定了。”团队还查阅了历史观测数据，分别在2021年和2017年都找到了S301的踪迹。“随着其8.7年周期轨道的大部分被绘制出来，史瓦西进动也得以完美展示。”Gillessen说。

不过，该团队还有另一个研究目标。史瓦西进动仅取决于黑洞的质量，且假设黑洞不自旋，然而天文学家认为所有黑洞都会自旋。关于这种自旋的间接证据来自黑洞并合产生的引力波，以及某些超大质量黑洞喷射出的旋涡状喷流。

广义相对论预测，一个自旋的黑洞会带动周围的时空随之运动，这会使附近恒星的轨道产生微小的额外扭曲，即所谓的伦斯-蒂林进动。如果团队测得的S301进动量超过了预测的史瓦西进动量，那么超额部分将揭示黑洞的自旋。但这是一种微妙的效应。研究人员预计，史瓦西进动会使S301的轨道每绕行一圈偏移约1.9°，而伦斯-蒂林进动造成的偏移可能不到0.11°。Gillessen表示，大约需要10年的观测才能精确测定这些数值。

此外，S301或许还能为另一个银河系中心之谜提供线索：它本身、S2以及所有靠近黑洞的S型恒星是如何到达那里的。论文作者、MPE的天文学家Felix Mang表示：“这迄今仍是一个谜，因为在如此大质量的黑洞周围形成恒星是不可能的。”一种被称为“希尔斯机制”的假说提出，如果一对双星过于接近黑洞，黑洞的引力会撕裂它们，使其中一颗被困在紧密的轨道上，并将另一颗以足够快的速度甩出，使其逃离星系。尽管该机制早在1988年就被提出，但迄今尚未发现与之相符的双星系统。然而，2019年，天文学家观测到一颗超高速恒星S5-HVS1正以每秒1755公里的速度远离银河系中心。

上个月，当欧洲核子研究中心的天体物理学家Andrea Caputo和同事第一次看到S301的细节时，他们立即寻找其与S5-HVS1的联系。7月24日，他们公布了一篇预印本论文，指出S301的轨道能量和S5-HVS1的动能相当，这与它们曾是一对被黑洞撕裂的双星的预期结果一致。

目前这一推论仍仅基于间接证据。最有力的检验将来自光谱学，即对每颗恒星的光进行分析，这或许能揭示这些恒星是否具有相同的化学成分。但要对像S301这样暗淡的恒星进行光谱分析，可能需要VLT的继任者——极大望远镜的观测能力，该望远镜预计将在几年后投入运行。

“很可能的情况是，这些S型恒星都处于双星系统中。”Caputo说，“因此，对这一现象的测量实际上将使我们对S型恒星群体有更深入的了解。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10894-w