中國天文學家在黑洞周圍粒子動力學研究中取得進展

黑洞是廣義相對論的重要預言之一，通過探測黑洞雙星並合產生的重力波和事件視界望遠鏡成像觀測證實。目前，歐洲南方天文台甚大望遠鏡重力干涉儀已實現對S2恆星幾十微角秒的高精度天體位置的測量，未來有希望發現並跟踪距離銀河中心黑洞更近且位於其強重力場中的天體。這個觀測上的重要進展有望揭開黑洞及其時空上一些獨有特性，準確解讀有關測量將對黑洞強重力場中的天體運動理論提出全新要求。因此，研究黑洞周圍粒子束縛軌道運動對認識黑洞物理、高精度天體測量以及相關物理過程具有重要意義。

對於繞超大質量黑洞運轉的恆星，由於恆星的質量小於超大質量黑洞，因此​​，該恆星可被視為一個繞該黑洞做束縛軌道運動的類時試驗粒子。未來有望發現的比S2恆星更靠近銀心大質量黑洞人馬A*的天體，因位於該黑洞的強重力場中，它的軌道運動不再是類刻卜勒運動，而表現為獨有的周期軌道或近週期軌道形態。與弱重力場不同，強重力場下的周期軌道表現為多葉、迴旋等形態（上圖），並可通過一個有理數q來表達。這種週期軌道有助於學界理解極端質量比黑洞雙星並合過程中的絕熱內旋階段。

黑洞最與眾不同的一個特點是擁有視界和中心奇點。目前，廣義相對論已通過多種檢驗，其中包括重力波探測及事件視界望遠鏡觀測，但廣義相對論仍不完整。例如，它在黑洞中心奇點處會失效、與量子力學不相容、無法統一到粒子物理學標準模型之下。解決這些問題的有效途徑是尋求大統一理論。在一些學者提出的大統一理論中，高維愛因斯坦-洛夫洛克理論（higher dimensional Einstein-Lovelock Theory）認為是具競爭力的候選者之一。在可觀測宇宙的低能極限下，其退化到四維愛因斯坦-洛夫洛克理論。借助於黑洞周圍粒子束縛軌道動力學研究，對探索該理論的強場檢驗是一種新機遇。

針對四維愛因斯坦-洛夫洛克黑洞，通過探討其周圍粒子的束縛軌道運動空間和周期軌道運動形態，結果顯示，和史瓦西黑洞（Schwarzchild black hole）相比，四維愛因斯坦-洛夫洛克黑洞周圍粒子的週期軌道運動有較低或較高的能量，主要取決於該理論中的耦合參數值。上述研究將為描述強引力場中天體運動提供一定的理論基礎，釐清其軌道運動特徵的物理根源，有望服務於未來對銀心區恆星高精度天體測量結果的科學分析。此外，黑洞周圍粒子動力學研究也將有助於解決時空奇點和量子重力等科學難題。

【圖、文：節錄自中國科學院紫金山天文台網頁；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2021年1月出版的《黑暗宇宙物理學》期刊