天文學家在銀河系中心發現恆星 S301，觀測結果顯示它以最高超過每秒 25,000 公里的速度繞行超大質量黑洞人馬座 A*（Sagittarius A*），相當於接近光速的 8%。S301 不僅刷新銀河系已知最快恆星紀錄，也可能成為直接測量人馬座 A*自旋的重要觀測對象。
研究團隊表示，S301 繞行人馬座 A* 一圈只需 8.7 年，打破先前由 S4714 保持的約 12.6 年紀錄。相關研究論文已發表於《自然》（Nature）期刊。
以 GRAVITY+ 從強烈背景中辨識 S301
S301 的發現過程相當困難。研究共同作者、德國馬克斯普朗克地外物理研究所博士生 Felix Mang 指出，從地球觀測時，S301 的亮度僅約為參宿四的 20 億分之 1，且周圍還有許多更明亮的恆星，猶如要在開啟車燈的車陣中找出一束手電筒光。
甚大望遠鏡（Very Large Telescope，VLT）的 GRAVITY 儀器近期升級為 GRAVITY+，靈敏度提升約 10 至 100 倍。研究團隊再搭配新的影像重建方法，觀測亮度比肉眼可見光暗 40 億倍的天體，並在 2023 年成功從背景雜訊中辨識出 S301 的模糊訊號。
在大致確定 S301 的軌道後，研究人員回溯過去的觀測資料，於 2021 年及 2017 年的數據中再次找到這顆恆星。綜合 8 年間取得的 19 個測量位置，團隊勾勒出 S301 完整閉合的橢圓軌道。
速度與接近黑洞距離均創下重要紀錄
研究資料顯示，S301 的質量約為太陽的 1.5 倍。當它掠過銀河系中心黑洞時，峰值速度超過每秒 25,000 公里，成為目前人類觀測到的銀河系最快恆星。
S301 最接近人馬座 A*時，與黑洞的距離僅約 12 個天文單位，相當於土星與太陽的距離。這個距離比先前重要研究對象 S2 恆星的最近距離近約 10 倍，也讓 S301 能在更強烈的重力環境中接受觀測。
| 項目 | S301 觀測結果 |
|---|---|
| 繞行週期 | 8.7 年 |
| 峰值速度 | 超過每秒 25,000 公里 |
| 最高速度約當 | 接近光速的 8% |
| 最近黑洞距離 | 約 12 個天文單位 |
| 恆星質量 | 約為太陽的 1.5 倍 |
| 目前資料基礎 | 8 年間 19 個測量位置 |
可能源自被黑洞拆散的聯星系統
研究團隊推測，S301 可能過去曾與另一顆恆星組成聯星系統。當這個系統過度接近人馬座 A*時，黑洞強大的潮汐作用可能透過希爾斯機制（Hills Mechanism）將兩顆恆星分開。
在這種情境下，其中一顆恆星被捕獲，進入更接近黑洞的軌道，成為如今觀測到的 S301；另一顆則可能以超高速恆星的形式被拋出銀河系。不過，這項起源說法目前仍屬研究團隊的推測，還需要更多觀測與分析加以驗證。
S301 有望協助測量人馬座 A*自旋
過去，繞行人馬座 A*、公轉週期約 16 年的 S2 恆星一直是研究銀河系中心黑洞的重要對象。長期追蹤 S2 的結果，已證實愛因斯坦廣義相對論的兩項預測：恆星發出的光在脫離黑洞重力井時會損失能量，以及 S2 的橢圓軌道會出現史瓦西進動。
史瓦西進動是指天體繞行巨大質量中心時，受到強重力場影響，軌道方向會隨時間逐圈偏移，從空間中看起來類似玫瑰花瓣形狀的軌跡。這類效應主要取決於黑洞的質量，但黑洞還有另一項關鍵特性：自旋。
旋轉中的黑洞會拖曳周圍的時空結構，這種現象可類比為湯匙攪動蜂蜜。由於相關效應會隨距離增加而快速減弱，因此要精確測量人馬座 A*的自轉速度，需要一顆比 S2 更接近黑洞的恆星。研究團隊認為，S301 目前可能是唯一能利用恆星動力學直接測量人馬座 A*自旋的對象。
2031 年將迎來下一次近距離通過
天文學家將持續使用 GRAVITY+ 追蹤 S301，預計它下一次近距離通過人馬座 A*的時間為 2031 年。研究人員希望結合兩次完整軌道的觀測資料，在未來 10 年內更精確地測量這個銀河系中心黑洞的自轉速度。
若後續觀測能確認 S301 的軌道參數與相關重力效應，這項研究將有助於檢驗強重力場中的物理模型，並進一步了解人馬座 A*的性質與演化。不過，黑洞自旋的精確測量仍取決於後續觀測精度、軌道資料累積，以及對恆星本身與周圍天體影響的排除。
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