S301 and friends: Measuring the spin of Sgr A*
本文提出了一种通过利用如 S2、S55 和 S38 等参考星来校准并减去背景引力转矩的方法，从而将人马座 A* 的兰斯-蒂尔링自旋信号从牛顿进动中分离出来，该方法利用了牛顿效应和相对论效应分别对轨道远点和近点的不同依赖关系。
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宇宙之舞与隐形的自旋
想象一下我们银河系的中心，那是一个由于恒星过于密集而几乎在互相碰撞的地方。在这场混乱舞会的正中心坐落着一个巨兽：一个被称为 Sgr A* 的超大质量黑洞。它如此沉重，以至于其引力维系着整个邻里。长期以来，科学家们知道这个黑洞的存在，但他们无法得知它旋转得有多快，以及旋转的方向如何。为什么这很重要？因为旋转的黑洞并不仅仅是静止在那里；它会像搅拌蜂蜜的勺子一样，带动周围的时空结构一起旋转。这种效应被称为“参考系拖拽”（frame-dragging），它会扭曲任何靠近黑洞的恒星的路径。如果我们能测量出这些恒星是如何扭曲的，我们就能最终确定黑洞的自旋。但问题在于：银河系中充满了其他物质——尘埃、气体和其他恒星——它们也会牵引着轨道上的恒星。这就像试图在飓风中听清一声低语；“低语”是黑洞的自旋，而“飓风”则是所有其他物质造成的混乱引力。
新星与伟大的宇宙混淆
这时，S301 登场了，这颗新发现的恒星是解开这个谜团的完美侦探。S301 是一个变数：它会极其靠近黑洞（约黑洞半径的 280 倍）然后又大幅度甩开，完成一次绕行大约需要 8.7 年。由于它靠得如此近，黑洞的自旋理应让它的轨道产生明显的摆动。然而，论文作者指出一个主要问题：“牛顿式混淆”。黑洞周围任何扁平的、像煎饼一样的恒星或气体云都会导致 S301 的轨道发生摆动。目前还无法分辨这种摆动是由黑洞的自旋引起的，还是仅仅由这团混乱的物质云引起的。
该论文提出了一种聪明的解决方案：利用一组“参考星”来抵消噪声。作者建议观察其他恒星，特别是 S2、S55 和 S38。这些恒星就像 S301 的表亲；它们会挥离到大致相同的遥远距离（它们的远星点都在黑洞半径的 31,000 到 50,000 倍之间），但它们从未像 S301 那样接近黑洞。
这就是神奇之处：这个“混乱的云团”（牛顿背景）对恒星的影响取决于它们离得有多远。由于 S301 和 S2 挥离到相似的距离，云团对它们的牵引几乎相等。然而，黑洞的自旋只影响那些靠得非常近的恒星。因为 S301 比 S2 靠近了 10 倍，所以自旋对 S301 的信号强度大约是 S2 的 30 倍。通过测量 S2、S55 和 S38 的摆动程度，科学家可以精确计算出“混乱云团”产生的推力。然后，他们可以将这股推力从 S301 的摆动中减去。剩下的会是什么？那应该是黑洞纯粹的自旋。
研究结果与未来
作者进行了详细的模拟和数学检查，以验证这一计划是否可行。他们发现，在多种情景下，对于 S301 和 S2，“云团”的牵引量几乎相同，而自旋信号在 S301 上巨大，在 S2 上却微乎其微。这意味着这种减法方法是可行的。他们还发现，“云团”并不是静态的；随着 S3 轨道缓慢旋转（由于一种被称为史瓦西进动的另一种已知效应），云团对它的牵引方式会随时间发生轻微变化。然而，自旋信号保持不变。这种随时间变化的特性就像一个指纹，有助于科学家更有效地将云团的噪声与自旋的信号区分开来。
不过，论文并未急于宣布胜利。作者指出，如果“云团”是由少数几个沉重的巨型天体（如大质量黑洞）组成的，而不是平滑混合的恒星，那么数学计算就会变得复杂，并引入难以预测的随机“噪声”。这种“颗粒感”可能会增加测量的难度，但作者认为，通过对多个轨道和多颗恒星的数据进行平均处理，可以将其平滑掉。
结论是乐观且现实的：随着像 GRAVITY+ 这样强大的望远镜以及未来的极大望远镜（ELT）的持续助力，我们可能在短短几年内（即 S301 的几次轨道周期内）就能测量出黑洞的自旋方向。然而，要测量完整的自旋矢量则需要更长时间——需要数十年观察恒星轨道的偏移。但对于第一次清晰勾勒出观测银河系中心巨兽自旋路径的尝试来说，只要我们能利用 S2、S55 和 S38 这些伙伴来帮我们调谐掉宇宙噪声，这条路已经清晰可见。
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