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title: "替银河系暗中心称重的恒星"
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last_modified: "2026-10-24"
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[引力留下的痕迹](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/#gravity)

天文 · 宇宙学 · 引力

# 替银河系暗中心称重的恒星

Sandbox Physics · 2026-10-24

看得见的恒星，怎样替看不见的银河中心天体称重？

1. 分辨红外波段的恒星
2. 测量天空位置怎样改变
3. 加入沿视线的速度
4. 拟合共同中心的致密质量

关键观测追踪恒星绕行，2020 年的奖表彰了银河中心超大质量致密天体的发现。

## 暗处有什么，可以问周围的星

银河中心附近，有几颗恒星跑得很快。隔几年再拍，它们的路线已经明显转弯。Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 分别带领的团队沿着这些弯曲轨迹，称出了暗中心的质量：大约四百万个太阳，挤在很小的区域内。这个与射电源人马座 A\* 对应的天体，成了银河系拥有超大质量黑洞的有力证据。

来源：[1] [3]

## 先得把挤在一起的星分清

地球与银河中心之间隔着许多尘埃，可见光大部分被挡住，红外光却更容易穿过。换到红外波段，仍有一道难关：许多恒星挤在一小片天空里，大气不停扰动，又把星光糊在一起。研究者必须认准同一颗星，才有办法把今年的位置与去年比较。

短曝光可以赶在大气明显改变前，留下图像中的细节；后来，自适应光学测量大气造成的扭曲，快速改变镜面形状，把图像纠正回来。智利的 ESO 望远镜和夏威夷的 Keck 望远镜，逐渐分清了靠近中心的恒星。模糊的一团亮光，变成了一年年可以追踪的点。

来源：[1] [2] [3]

## 2002 年，一颗星急转了个弯

一颗恒星格外好用。欧洲团队称它 S2，美国团队称它 S0-2。它沿明显偏长的轨道运行，在远处慢慢走了几年，靠近中心时忽然加快。Schödel、Genzel 和同事在 2002 年报告了十年的位置观测，覆盖约三分之二圈，包含最近与最远的两次经过。当时拟合出的周期是 15.2 年。

那次分析给出的最近距离约为 17 光时，也就是光走十七小时的路程。要把这样一条轨道拉住，中心必须装着约 370 万个太阳质量，不确定度约为 150 万。这些是 2002 年当时的估计。短短一段急转特别有用：它告诉人们，吸引力指向哪里，又怎样随距离增强。

来源：[1]

## 轨道同时提供尺和钟

道理与行星绕太阳相通。在同样远的地方，中心质量越大，天体要跑得越快，才能保持相同轨道。知道轨道有多大、绕一圈用多久，就能推算中心质量。偏心轨道还让同一颗星跑过不同距离：近处快，远处慢，整条路线都须由同一个引力模型解释。

照片量到的是天空上的角度。把角度换成长度，需要知道银河中心有多远；轨道倾斜也会改变投影形状。光谱再提供沿视线的速度：恒星吸收线向红或向蓝移动，透露它正远离还是靠近我们。位置和速度合起来，才能恢复三维运动与距离尺度。Ghez 团队在 2008 年结合 Keck 的长期位置与速度观测，推得中心约有 410 万个太阳质量，距离约 8.0 千秒差距，并分别给出不确定度。

来源：[3]

## 越靠近中心，质量越难藏在普通星团里

只看几颗星跑得快，可以猜测中心有一大团物质。最近距离进一步追问：这么多质量，究竟塞在多小的范围里？观测追到越近，容得下中心质量的空间就越小。若用一团暗星或恒星遗骸来解释，它们必须挤得极密，还得解释碰撞、互相扰动之后，怎样长期维持这种状态。

大质量与高度集中这两点合在一起，黑洞解释越来越有力。多颗星绕向同一中心，还能共同确定暗质量的位置。这套判断来自恒星多年的运动。它们的轨道离事件视界仍相当远；之后的相对论检验与视界尺度成像，分别把观察推进到新的问题与尺度。

来源：[1] [2] [3]

## 等它再转回来，又多了一次机会

大约十六年后，S2 在 2018 年再次经过最近点。仪器已经进步，位置和光谱都测得更精细。GRAVITY 合作团队看见了相对论预言的额外红移，其中包含运动与引力造成的效应。同一颗星再次返回，让最初的称重工具变成了更细致的引力检验。

2020 年诺贝尔物理学奖表彰 Genzel 和 Ghez 发现银河中心超大质量致密天体的贡献。两支团队把一件看似朴素的事做到了极致：分清一颗星，跟它许多年，看它怎样转弯，再问什么样的质量才能拉住它。

来源：[4] [5]

## 接着探索相关模型

选一个模型，亲手试试文章里的物理想法。

### [把投影轨道与质量联系起来](https://sandboxphysics.com/zh/labs/binary-star-mass/)

转动观察方向，再改变采用的距离。

牛顿两体模型展示投影、径向速度与依赖距离的质量推断。

## 来源与阅读说明

1. [Schödel et al. (2002), A star in a 15.2-year orbit around the supermassive black hole at the centre of the Milky Way](https://arxiv.org/abs/astro-ph/0210426)

   十年的位置观测，早期的 15.2 年周期、17 光时近心距离与 370 ± 150 万个太阳质量估计。

2. [Ghez et al. (2005), Stellar Orbits Around the Galactic Center Black Hole](https://arxiv.org/abs/astro-ph/0306130v2)

   联合轨道拟合与暗质量的致密性；注意预印本日期与 2005 年期刊发表日期的区别。

3. [Ghez et al. (2008), Measuring Distance and Properties of the Milky Way’s Central Supermassive Black Hole with Stellar Orbits](https://arxiv.org/abs/0808.2870)

   结合天体测量与径向速度，阅读质量、距离误差及其对中心运动假设的依赖。

4. [ESO (26 July 2018), First Successful Test of Einstein’s General Relativity Near Supermassive Black Hole](https://www.eso.org/public/news/eso1825/)

   S2 的 2018 年近心经过，以及长期观测之后 GRAVITY/SINFONI 的红移测量。

5. [The Nobel Prize in Physics 2020](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/summary/)

   区分 Penrose 的理论贡献与 Genzel、Ghez 的银河中心发现。

[我们怎样读懂宇宙](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/) [脉冲星的钟声记下了轨道缩短](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/hulse-taylor-orbital-decay/) [同时抵达两座 LIGO 的短促啁啾](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/ligo-gw150914/) [引力坍缩不需要一颗完美的球形恒星](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/penrose-trapped-surfaces/) [从探测曲线读到黑洞质量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/reading-gravitational-wave-chirp/)