银河系最快恒星 S301，或将帮助测出银心黑洞的自旋
我们都知道，在银河系正中央，距离地球约2.7万光年的地方，藏着一个质量相当于430万个太阳的庞然大物——人马座 A*（Sagittarius A*）。
它是离地球最近的超大质量黑洞，也是目前最适合通过逐颗追踪恒星轨道来研究的超大质量黑洞。
图 1：欧洲南方天文台甚大望远镜拍摄的银河系中心。
画面中密集分布着恒星和气体，中央隐藏着距离地球约 2.7 万光年的超大质量黑洞人马座 A*，周围天体正以极高速度运动。
版权: ESO/D. Ribeiro/MPE银河系中心团队
过去三十年，天文学家在它周围发现了几十颗“S星”（ S代表source或者star）。
2026年8月，由德国马普地外物理研究所（Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics）牵头的 GRAVITY 合作组在《自然》杂志上宣布发现新成员 S301。
它绕黑洞一周只需 8.7 年，此前的纪录是 S55 保持的 12 年。
其轨道扁得像一根被拉长的橡皮筋，每次冲向近心点，也就是离黑洞最近的位置时，速度会达到每秒约 2.5 万公里，相当于光速的 8.5%。
这使得 S301 成为目前已知银河系中轨道速度最快的恒星。
但它真正重要的地方，不只是快，而是近。
从S2到S301：靠近十倍意味着什么
要理解S301，得先说一下S2。
它每16年绕人马座A* 一周。
从上世纪90年代起，莱因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）带领的团队持续追踪S2等恒星，通过它们精确测量出了银河系中心致密天体的质量，并为那里存在超大质量黑洞提供了关键证据。
两位天文学家也因“发现银河系中心的超大质量致密天体（严谨说法）”分享了2020年诺贝尔物理学奖的一半（另一半授予英国物理学家罗杰·彭罗斯）。
S2最靠近黑洞时，距离约为1400个史瓦西半径（即无自旋黑洞的“事件视界”半径，代表光都无法逃出的边界）；而S301只有136至142个，近了整整十倍。
这是什么概念呢？也就约等于土星到太阳的距离，可以说非常近了。
而黑洞自旋对时空的影响，会随距离迅速减弱。
过去在S2 轨道上几乎无法分辨的信号，到了S301这里，才有望进入可测范围。
时空的两重扭曲
在牛顿引力描绘的理想二体系统里，恒星会沿着同一条闭合椭圆反复运行。
但在广义相对论中，黑洞会弯曲周围时空，恒星每跑完一圈，椭圆轨道的方向都会向前转动一点。
许多圈叠在一起，轨道就像一朵慢慢打开的花。
这种现象叫史瓦西进动（Schwarzschild precession）。
即使黑洞完全不旋转，它也会发生，主要反映黑洞质量造成的时空弯曲。
水星近日点每百年多出的43角秒，是广义相对论最早也最著名的证据之一。
S2每圈的史瓦西进动约为12角分；S301则接近2度，大约是S2的十倍。
图 2：史瓦西进动概念图。
描绘的是恒星S2绕人马座A* 的运动轨迹。
版权：ESO/L. Calçada
如果黑洞还在旋转，事情会再多一层。
旋转黑洞不仅让时空“凹下去”，还会像勺子搅动蜂蜜一样，拖着附近时空一起打旋。
恒星在其中运动，整个轨道平面也会被轻轻拧动。
这就是伦斯—蒂林进动（Lense–Thirring precession），也叫“参考系拖曳”。
图 3: 旋转的黑洞会拖动周围的时空，这种现象被称为伦斯—蒂林效应。
恒星如果足够靠近黑洞，其轨道便会出现微小的额外偏转，长期精确观测这种变化，有望测量黑洞的自旋。
版权: ESO/Kornmesser
这正是它与自旋相关的原因：不旋转的黑洞也会让时空弯曲，旋转的黑洞还会拖动时空（让时空“扭曲”）。
自旋造成的轨道变化更微弱，而且它随距离衰减得比史瓦西进动更快。
只有像S301这样贴得足够近的恒星，才可能显露这道痕迹。
如果人马座A* 转得很快，而且自转轴的朝向恰好能让这种影响明显表现出来，S301每绕一圈，轨道方向就可能因此多偏约0.1度。
这个微小差别，已经有望被现有和下一代仪器测到。
人马座A* 到底转得多快
黑洞没有实体表面，所以“转得多快”不是每秒转多少圈。
天文学家通常用一个与角动量有关的、从0到1的无量纲参数来表示自旋强弱：0代表不旋转，1代表理论极限。
它决定了黑洞周围时空扭曲的程度。
人马座A* 究竟转得多快，目前没有公认答案。
有人根据黑洞外流反推出约0.9，意味着它可能转得很快；事件视界望远镜的一些模型也偏向中高自旋。
另有研究在特定假设下，把自旋上限压到0.1以下。
结果差别如此之大，是因为这些方法分别依赖对气体、磁场、外流和恒星分布的不同假设。
这篇《自然》论文也没有测出它的自旋。
论文图中的数值来自对未来观测的模拟，并不是当前实测结果。
S301的价值，在于提供一种更直接的办法：不再主要根据黑洞周围气体怎样发光来反推，而是看旋转的时空怎样改变一颗恒星的轨道。
在2.7万光年外追踪S301
S301的亮度只有S2的百分之一左右。
它很可能只是一颗质量与太阳相差不大的普通主序星，放在太阳附近并不起眼，到了银河系中心，却成了一枚宝贵的“试验粒子”。
要在尘埃密布、群星拥挤的银河系中心找到它，靠的是欧洲南方天文台甚大望远镜（Very Large Telescope）干涉仪上的 GRAVITY。
它把四台8米望远镜接收到的光组合起来，获得远高于单台望远镜的分辨能力，并能测出极其细微的位置变化。
图 4：智利帕拉纳尔天文台的四台8米级望远镜同时发射激光，在约90公里高空形成“人工导星”，用来校正大气扰动造成的图像模糊。
这是甚大望远镜干涉仪和 GRAVITY+ 升级的重要一步，将显著提升其观测能力。
照片拍摄于接近满月的夜晚，左侧可见月亮。
版权：ESO/A. Berdeu
2023年春天，团队在人马座A* 附近注意到一个移动迅速、路径弯曲的微弱光点。
他们先拟合出初步轨道，再回到旧资料中寻找它过去应该出现的位置，最终在2021年和2017年的数据里都找到了踪迹。
前后19个位置点，跨越八年多，勾勒出一条彼此吻合的椭圆轨道。
这些轨道扭曲不是在照片上直接“看”出来的，而是通过多年测量“算”出来的：把恒星不同时刻的位置放进不同的引力模型，看哪一种能同时解释全部数据。
目前 S301 沿视线方向的速度还没有测到，它的三维轨道仍有两种镜像解，这也是眼下还无法测量自旋的原因之一。
图5：这组由 GRAVITY 仪器拍摄的图像序列，显示一颗名为S301的恒星比任何其他已知恒星都更接近黑洞。
下面的小圆圈以海王星（Neptune）的轨道大小作为对比。
版权:ESO/GRAVITY合作团队
为什么还要再等十年
S301虽快，跑完一圈仍需8.7年，而且自旋的影响主要集中在它最接近黑洞的那段时间。
它上一次经过近心点是在2023年，下一次大约在2031年前后。
天文学家需要守住这次关键掠过，把新一圈轨道与此前数据比较，并扣除史瓦西进动及附近暗天体的扰动，才可能从接近2度的主要偏转中，分离出最多约0.1度的自旋信号。
因此，“十年”不是物理学规定的最低年限，而是为了覆盖下一次近心点通过并积累足够数据，目前较现实的时间尺度。
论文模拟显示，如果持续观测到2035年前后，并利用欧洲南方天文台的极大望远镜（Extremely Large Telescope）上的MICADO仪器补上视线方向的速度，在黑洞转得较快、方向有利的情况下，研究人员有望测出自旋大小和方向。
这仍是对未来能力的预测。
测出自旋意味着什么
在广义相对论中，一个稳定、孤立的黑洞，其外部性质可以由质量、自旋和电荷来描述。
天体物理黑洞通常几乎不带电，因此最重要的是质量和自旋。
人马座A* 的质量已经测得很精确，自旋却仍没有公认的直接结果。
S301若成功补上这一项，将让我们更完整地认识这颗最近的超大质量黑洞。
自旋还保留着黑洞成长方式的线索：它是长期吞入方向相近的物质，逐渐越转越快，还是经历过方向杂乱的吸积与并合，使旋转不断被削弱？不同道路，可能留下不同的自旋。
更重要的是，这项测量将把广义相对论的检验，从“质量怎样弯曲时空”推进到“旋转黑洞怎样拖动（扭曲）时空”。
参考系拖曳已在地球附近得到验证（地球自转拖曳周围时空，导致卫星轨道和陀螺仪自转轴发生微小进动）；S301则有望把这种检验带到超大质量黑洞近旁的强引力环境。
研究者还推测，S301极端的偏心轨道可能来自“希尔斯机制”：一对紧密双星闯入黑洞的潮汐范围后被撕开，一颗被俘获，另一颗则被高速抛向星系边缘。
两万七千年前，S301发出的微弱红外光从银河系中心启程。
今天，我们把这些光拼成一条轨道。
未来十年，人类等待的不是它简单回到原处，而是看它会不会比不旋转黑洞的理论预期多偏那么一点点。
正是那一点点，可能第一次告诉我们：银河系中心那个看不见的庞然大物，究竟转得有多快。
策划制作
作者丨苟利军 中国科学院国家天文台研究员
审核丨韩文标 中国科学院上海天文台研究员
策划丨高佩雯 江帆
孩子问黑洞是什么？这本《跟着霍金看宇宙》真的能讲明白
你有没有过这种经历——忙完一天刚想歇口气，孩子突然凑过来问一句："妈妈，黑洞真的能把东西吸进去吗？宇宙到底有多大呀？太阳为什么会发光？" 我每次被问到这类问题，都是一脸懵。说实话，我自己上学那会儿物理就没学明白，时间、空间、引力这些概念，脑子里只剩一团浆糊。
想给孩子讲几句吧，又怕讲错了、误人子弟；不讲吧，又不想打击孩子的好奇心。
尤其现在孩子上了小学中高年级，对科学的好奇心正是最旺盛的时候。
每天追着问"为什么"，那股劲儿其实特别珍贵。
可咱们当家长的，确实不是万能的百科全书，很多科普知识自己都搞不清楚，更别说用孩子能听懂的话讲出来了。
我一开始也想给孩子买书，结果在书店翻了半天，越翻越没底。
那些宇宙科普书，要么是密密麻麻的专业术语，孩子翻两页就没了兴趣；要么图倒是漂亮，讲得却浮于表面，读完啥也没记住。
后来一个当老师的朋友给我推荐了一本《跟着霍金看宇宙》，我拿到手自己先翻了一遍，还真被惊艳到了。
这本书最大的好处，就是它真的站在孩子的认知水平上去讲宇宙，一点不端着。
先说它怎么讲黑洞。
书里没有上来就甩一堆公式，而是从霍金爷爷是怎么发现黑洞、怎么理解黑洞讲起，用特别形象的比喻，让孩子能"看见"黑洞在做什么。
我家孩子看完竟然主动跟我讲"黑洞就像宇宙里的贪吃怪"，虽然不太准确，但那股理解和记忆的劲儿，可比死记硬背强太多了。
再说时间旅行这个更抽象的话题。
很多成年人一听都觉得玄乎，但这本书把它讲得特别接地气。
孩子看完恍然大悟，还跟我说"原来时间也会被引力拉慢呀"。
这种孩子能亲口讲出来的理解，正是我最看重的。
我觉得这本书特别适合几类孩子。
一种是那种天生爱问"为什么"、对天文特别感兴趣的孩子，能给他们一个很扎实的入门；另一种是平时不太爱看书、觉得科学枯燥的孩子，这本书的讲述方式能让他们重新觉得"原来科学这么有意思"；还有一种就是咱们这些想陪孩子一起读、却自己也不太懂的家长，带着孩子一起看，正好补补课，还能顺便聊聊天。
书里的插图也很用心，结构清晰，读起来完全不费劲。
我家孩子现在每天睡前都要主动翻几页，还经常跑来给我"讲课"。
这种亲子共读的时光，可比看平板刷手机有意义多了。
而且这本书的定价也很实在，几十块钱就能给孩子打开一扇望向宇宙的窗，让孩子知道霍金爷爷那些听起来高深的理论，其实离我们并不遥远。
如果你也在为孩子选一本靠谱的宇宙科普入门书，或者发愁怎么跟孩子聊"时间""空间""黑洞"这些话题，我真的挺推荐这一本的。
能让孩子主动读、读得懂、还愿意开口讲的科普书，说实话真不多见。
趁着孩子对宇宙的好奇心正热乎，早一点给他一本合适的读物，早点点燃那颗探索的小火苗，说不定就种下了他未来仰望星空的种子呢。
这本书我自己翻过一遍，之所以敢放心推荐，还有一个很重要的原因——它讲科学，却不只是把知识倒给孩子，而是带着一种"陪孩子一起好奇"的温度。
霍金爷爷那套关于宇宙的想法，在书里被讲得既严谨又好懂，孩子读着不觉得吃力，家长陪着读也不觉得枯燥。
很多家长会纠结，孩子这么小，看这种书是不是太早了？其实恰恰相反，越早接触，越能在孩子心里种下对科学的好感。
等将来上了中学真正学物理的时候，孩子想起小时候读过的这本书，那些抽象的概念就会变得亲切起来，学起来也更省力。
如果要说一点小小的不足，那就是这本书需要家长稍微陪读几页，帮孩子把节奏带起来。
不过一旦孩子自己入了迷，后面你就会发现他根本停不下来了，天天追着你讨论外星人存不存在、宇宙有没有尽头。
总的来说，一本能让孩子主动去翻、读得懂又愿意开口讲的宇宙科普书，真的很难得。
如果你也想让孩子在这个好奇心爆棚的年纪，接触一点真正有意思、也有营养的知识，这本《跟着霍金看宇宙》是个非常不错的开始。
趁孩子这份好奇心还在，早一点把这本书带回家，说不定哪一天，他抬起头看星空的眼神，就不一样了。
如果地球突然被甩出太阳系，人类文明还能坚持多久？
如果地球被甩出太阳系，我们还能活多久？ 太阳不会爆炸，也没有突然熄灭。它只是在天空中越来越小，直到变成一颗普通的星星。
而地球还在向前飞，带着所有人，奔向再也等不到日出的黑暗。
这不是让地球停下来。
恰恰相反，是它跑得太快，快到挣脱了太阳的束缚。
宇宙里已经有这样的世界，它们没有属于自己的太阳，被称为流浪行星。
地球如果也加入它们，最先消失的，会是什么？ 先看我们为什么能留在这里。
地球距离太阳大约一亿五千万公里，每秒前进接近三十公里。
太阳的引力不断把它向内拉，它又不断向前运动，于是始终绕着太阳转。
你脚下看似安稳的大地，其实一直在高速赶路。
但引力并不是一根绳子。
假如有一个足够重的天体，从足够近的地方掠过，它不需要撞上地球，只要改变地球的速度和方向，就可能改写整条轨道。
极端情况下，地球会获得足够的能量，离开太阳。
这种事在年轻的行星系统里，更容易发生。
那时候，各颗行星还没坐稳自己的位置，轨道不断变化。
一个小一些的世界靠近巨行星，可能被引力猛地甩出去。
巨行星继续绕着恒星转，它却从此走上另一条路。
想象一下，你就站在那颗行星上。
起初，天空中的太阳依然耀眼，地面也还留着温度。
你甚至很难立刻察觉，整个世界已经失去了回家的轨道。
可是随着距离不断拉开，那轮熟悉的光越来越暗，能送到地面的热量，也越来越少。
它不会一下子消失。
它会慢慢退到远处，成为夜空中的一个亮点。
再过很久，你抬头看见满天繁星，却再也无法轻易认出，哪一颗曾经照亮过你的海洋。
如果流浪的是地球，后果就会从这里开始。
地表仍在向太空散热，太阳送来的补充却越来越少。
白天失去暖意，寒冷不断向低纬度推进。
植物无法继续靠充足的阳光生长，依赖它们的食物链，也会跟着崩溃。
真正危险的，并不是突然发生的一次撞击，而是整个世界持续失去能量。
而且，这个过程不是按一下开关，地球就瞬间冻成冰块。
岩石、海水和大气都存着热量，离开的速度、与太阳的距离，也会影响降温的过程。
可只要它继续远离，留给地表生命的温暖，就会越来越少。
接下来，海洋开始从表面结冰。
原先翻涌的海浪，被冰层一点点封住。
冰层越来越厚，海岸线被雪覆盖，熟悉的蓝色星球，逐渐变成一颗苍白的冰球。
可这并不意味着，整片海洋会在同一时刻冻透。
因为厚厚的冰层，也会挡住下面的热量流失。
地球内部还藏着热，深海和地下，与冰封的地表，可能走向不同的命运。
再往后，假如地表继续冷下去，连空气也会发生变化。
平时看不见的气体，会在足够低的温度下凝结，甚至冻结。
你所熟悉的天空，可能一点点沉降到地面。
风越来越弱，气压不断降低，地面上的冰，开始装着原本属于天空的成分。
到那时候，地表就不只是冷，而是失去了人类赖以呼吸的环境。
城市仍在那里，公路仍在那里，可它们上方再也没有熟悉的蓝天。
地球继续转动，却转不出一个有太阳升起的清晨。
不过，生命真的会全部结束吗？ 原片提到了一种可能。
如果一个流浪世界还带着卫星，潮汐作用能够不断拉扯它的内部，提供热量，冰层下面就可能留住液态水。
没有阳光，不代表内部一定没有能量。
这样的海洋，或许仍有让某些化学反应持续发生的条件。
这还不是发现了生命。
它只是告诉我们，漆黑的行星表面下面，未必也同样死寂。
对于地球来说，深海热源附近的生命，也可能比地表生命坚持得更久。
人类失去的家园，在某些微小生命眼里，或许还没有彻底关门。
问题是，这些没有太阳的世界，我们怎么找到？ 年轻的流浪行星，可能还留着诞生时的热量，能够在红外观测中露出踪迹。
可那些已经冷却很久的行星，没有足够明亮的光，也没有近处的恒星供它们反射，直接看见就困难得多。
天文学家于是等它们从一颗遥远恒星前方经过。
行星的引力会弯曲背景星光，让那颗恒星短暂变亮。
我们未必看清了行星本身，却能从这次变化里，寻找它存在的线索。
这就是引力微透镜。
一次短暂的闪亮，可能对应一个已经流浪了漫长岁月的世界。
观测和模型提示，这些行星可能数量惊人。
我们以为恒星之间空无一物，可黑暗里，也许藏着许多无法直接看见的行星。
甚至在太阳系形成早期，一些模型也提出，可能有行星在混乱的引力作用下被抛了出去。
如果这种情况真的发生过，那银河系的某个角落，也许正漂着与地球出身相近的世界。
它们离开了，我们留了下来。
当然，这不意味着地球眼下就要被甩出去。
一个巨大天体恰好以危险的距离掠过，概率极低。
这个故事展现的是一种极端可能，而不是正在倒计时的灾难。
但它最让人后背发凉的地方，是地球不需要被砸碎，也能变成另一个世界。
只要轨道改变，太阳变远，海洋、空气和生命，就可能接连失去依靠。
我们每天都能看见太阳，所以很容易把日出当成理所当然。
可在那些流浪行星上，最后一次日落之后，就再也没有等来第二天。
