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天文学家发现在银河系中心的黑洞轨道

发布时间:2018-05-18 点击量:1

一组科学家发现了一颗名为S0-102的恒星,它在11.5年的时间在银河系中心的黑洞轨道上运行。这是这个黑洞附近任何恒星已知的最短轨道,未来的测量可能为科学家提供测试爱因斯坦广义相对论的机会。 /

加州大学洛杉矶分校的天文学家报告发现了一颗非凡的恒星,它在我们银河系中心的巨大黑洞上旋转了11年半的时间 - 这个黑洞附近任何恒星的已知最短轨道。

研究合着者安德里亚·盖兹(Andrea Ghez)表示,这颗恒星称为S0-102,可能有助于天文学家发现爱因斯坦是否正确地预测了黑洞如何扭曲空间和时间。研究合作者Andrea Ghez是发现小组的负责人,也是加州大学洛杉矶分校物理学教授和天文学家,他们持有天体物理学中的Lauren B. Leichtman和Arthur E. Levine主席。

该研究发表在10月5日的科学杂志上。

在这个发现之前,天文学家只知道一颗在黑洞附近轨道非常短的恒星:S0-2,Ghez曾称其为“最喜爱的恒星”,其轨道为16年。 (“S”代表射手座,星座包含星系中心和黑洞)。

“我非常高兴能够找到两颗恒星在人类生命周期内围绕我们银河系超大质量黑洞的轨道,”盖茨说,他研究了绕黑洞轨道运行的3,000颗恒星,自1995年以来一直在研究S0-2。她说,这些恒星的轨道长达60年或更长。

“这是S0-102和S0-2的探戈将首次揭示黑洞附近空间和时间的真实几何特征,”盖兹说。 “这种测量不能单用一颗恒星完成。”

黑洞由物质的崩溃形成,具有如此高的密度,以至于任何东西都不能逃脱它们的引力,甚至没有光。他们不能直接看到,但他们对附近恒星的影响是可见的,并提供了一个签名,Ghez说,2008年麦克阿瑟研究员。

爱因斯坦的广义相对论预言质量会扭曲时空,因此不仅会减缓时间流逝,而且会延长或缩短距离。

“今天,爱因斯坦在每一部iPhone上,因为没有他的理论,GPS系统就无法工作,”Ghez小组的研究员,研究的主要作者Leo Meyer说。 “我们想知道的是,你的手机是否也能在黑洞附近工作?新发现的明星让我们能够在未来回答这个问题。“

“我们可以找到离黑洞非常近的恒星的事实是惊人的,”Ghez还指导加州大学洛杉矶分校银河中心集团。 “现在这是一个全新的球赛,就我们可以做的一些实验来理解黑洞随着时间的推移如何增长,超大质量黑洞在星系中心的作用以及爱因斯坦的广义相对论是否在接近黑洞,这个理论以前从未经过测试。现在有一种方法来打开这个窗口,这真令人兴奋。

“这不应该是一个星星特别受欢迎的地方,”她补充说。 “但令人惊讶的是,黑洞似乎不像以前推测的那样对星星有敌意。”

在过去的17年中,Ghez和他的同事们使用了W.M.凯克天文台位于夏威夷休眠的冒纳凯阿火山顶上,以最高的角度分辨率对银河系中心进行成像。他们使用了一项强大的技术,Ghez帮助开创了这项技术,称为自适应光学技术,以实时纠正地球大气层的扭曲效应。凭借Keck天文台的自适应光学技术,Ghez和她的同事们已经揭示了超大质量黑洞周围环境的许多惊喜,例如,发现了那些没有预期的年轻恒星,并且发现许多人都期待没有老恒星。

“凯克天文台十多年来一直是自适应光学领域的领导者,并且使我们能够在利用高角度分辨率成像纠正地球大气的扭曲效应方面取得巨大进展,”盖兹说。 “能够使用世界上最大最好的望远镜真的很令人兴奋。这就是为什么我来到加州大学洛杉矶分校,为什么我留在加州大学洛杉矶分校。“

就像行星绕太阳轨道运行的方式一样,S0-102和S0-2每个都围绕星系中心黑洞的椭圆轨道。我们太阳系中的行星运动是300年前牛顿引力理论的终极考验; Ghez说,S0-102和S0-2的运动将成为爱因斯坦广义相对论的最终考验,它将重力描述为空间和时间曲率的结果。

“看到恒星通过它们完整轨道的令人兴奋的事情不仅是你可以证明存在黑洞,而且你有第一次使用这些恒星的运动来测试基础物理的机会,”盖兹说。 “显示它在椭圆中四处走动提供了超质量黑洞的质量,但是如果我们能够提高测量精度,我们可以看到与完美椭圆的偏差 - 这是广义相对论的标志。”

当星星走近它们最接近的方式时,它们的运动将受到时空曲率的影响,从星星到我们的光线将被扭曲,Ghez说。

S0-2比S0-102亮15倍,将在2018年通过它最接近黑洞的方向。

与完美椭圆的偏差非常小,需要非常精确的测量。在过去的15年里,Ghez和她的同事大大提高了他们进行这些测量的能力。

研究的共同作者包括加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授Mark Morris和加州大学洛杉矶分校物理学和天文学名誉教授Eric Becklin。

Ghez的研究

1998年,Ghez回答了天文学最重要的问题之一,表明一个巨大的黑洞位于我们银河系中心,距离地球大约26,000光年,质量约为太阳的400万倍。这个问题在四分之一世纪以来一直是天文学家激烈争论的话题。

2000年,她和他的同事报告说,天文学家第一次看到超大质量黑洞周围的恒星加速。他们的研究表明,三颗恒星每年以超过25万英里的速度加速黑洞绕行。 Ghez说,S0-102和S0-2的速度在最近的时候也应该加速超过250,000英里。

Ghez在2003年报告说,银河系黑洞的案例已经大大加强,所有提出的替代方案都可以被排除。 2005年,她和她的同事们在凯克天文台利用激光引导星自适应光学技术拍摄了银河系中心的第一个清晰图像,包括黑洞周围的区域。

“Ghez的加州大学洛杉矶分校小组使用Keck Observatory进行的关键研究已经从证明在我们银河系中心存在一个超大质量黑洞到测试物理学基本原理的演变,”W.M.的主任Taft Armandroff说。凯克天文台。 “这在天文学中确实是一个激动人心的时刻。”

Ghez的研究计划目前获得国家科学基金会,凯克基金会,麦克阿瑟基金会,劳伦B.莱希特曼和阿瑟E.莱文家庭基金会的主要资助,并获得普雷斯顿家庭赋予的天体物理学研究生奖学金的额外资助(支持Howard和Astrid Preston),Janet Marott学生旅游奖和Gordon Binder博士后奖学金。 Packard基金会也为这项工作的早期阶段提供了大量资金。

Ghez是第一位获得瑞典皇家科学院颁发的着名克劳福德奖的女性,她今年5月获此殊荣。

来源:加州大学洛杉矶分校新闻室Stuart Wolpert

图片:Ethan Tweedie; Dan Birchall,Andrea Ghez教授和她在加州大学洛杉矶分校的研究团队