銀河系中心還隱藏着其他東西嗎？

在雙子座北望遠鏡的幫助下，天文學家對位於銀河系中心的超大質量黑洞周圍的恆星運動進行了迄今為止最精確的測量。 這些結果顯示，銀河系中心所含質量的99.9%來自黑洞，只有0.1%可能包括恆星、較小的黑洞、星際塵埃和氣體或暗物質。

天文學家比以往任何時候都更精確地測量了人馬座A*（Sgr A*）附近的四顆恆星的位置和速度，這個超大質量黑洞潛伏在銀河系的中心。這些恆星--被稱為S2、S29、S38和S55--的運動被發現遵循的路徑表明，銀河系中心的質量幾乎完全來自於人馬座A*黑洞，留給其他東西的空間非常小。

研究小組在這項研究中使用了各種先進的天文設施。為了測量恆星的速度，他們使用了夏威夷毛納克亞山頂附近的雙子座北望遠鏡的雙子座近紅外光譜儀（GNIRS）的光譜，這是國際雙子座天文台的一部分，是美國國家科學基金會NOIRLab的一個項目，以及歐洲南方天文台超大型望遠鏡上的SINFONI儀器。VLTI上的GRAVITY儀器被用來測量恆星的位置。

“我們非常感謝雙子座天文台，它的GNIRS儀器為我們提供了所需的關鍵信息，”馬克斯-普朗克地外物理研究所所長、2020年諾貝爾物理學獎共同獲得者Reinhard Genzel説。“這項研究顯示了世界範圍內的合作是最好的。”

銀河系的銀河中心距離太陽大約27000光年，包含了緊湊的射電源Sgr A*，天文學家已經確定它是一個質量為太陽430萬倍的超大質量黑洞。儘管經過數十年的艱苦觀測--並因發現Sgr A*的身份而獲得諾貝爾獎-但一直難以最終證明這一質量的大部分只屬於超大質量黑洞，而不包括大量的物質，如恆星、較小的黑洞、星際塵埃和氣體或暗物質。

“隨着2020年諾貝爾物理學獎的頒發，確認Sgr A*確實是一個黑洞，我們現在想更進一步。我們想了解在銀河系中心是否還隱藏着其他東西，以及廣義相對論是否確實是這個極端實驗室中正確的引力理論，”參與這項工作的天文學家之一Stefan Gillessen解釋説。“回答這個問題最直接的方法是密切跟蹤經過Sgr A*附近的恆星的軌道。”

愛因斯坦的廣義相對論預測，圍繞超大質量緊湊天體的恆星軌道與經典牛頓物理學預測的軌道有微妙的不同。特別是，廣義相對論預測，恆星的軌道將描畫出一個優雅的玫瑰花形狀--這種效應被稱為“史瓦西進動”。為了實際看到恆星劃出這個“花環”，研究小組追蹤了緊鄰Sgr A*的四顆恆星的位置和速度--稱為S2、S29、S38和S55。研究小組通過對這些恆星前進程度的觀察，使他們能夠推斷出Sgr A*內部的質量分佈。他們發現，S2星軌道內的任何擴展質量最多隻相當於超大質量黑洞質量的0.1%。

測量我們銀河系超大質量黑洞周圍的遙遠恆星軌道的微小變化是令人難以置信的挑戰。為了取得進一步的發現，天文學家們不僅要突破科學的界限，而且要突破工程的界限。即將推出的超大型望遠鏡（ELT），如巨型麥哲倫望遠鏡和三十米望遠鏡（都是美國ELT計劃的一部分），將使天文學家能夠以更高的精度測量更暗的恆星。

“我們將在未來進一步提高我們的靈敏度，使我們能夠跟蹤更暗淡的天體，”Gillessen總結道。“我們希望能探測到比我們現在看到的更多的東西，讓我們有一個獨特的、毫不含糊的方法來測量黑洞的旋轉。”

美國國家科學基金會雙子座項目官員Martin Still説：“雙子座觀測站繼續為我們的銀河系和其中心的巨大黑洞的性質提供新的見解。在未來的十年裏，進一步開發用於廣泛使用的儀器將保持NOIRLab在描述我們周圍宇宙特徵方面的領先地位。”