黑洞是廣義相對(duì)論的重要預(yù)言之一，已通過探測黑洞雙星并合產(chǎn)生的引力波和事件視界望遠(yuǎn)鏡成像觀測證實(shí)。目前，歐洲南方天文臺(tái)甚大望遠(yuǎn)鏡引力干涉儀已實(shí)現(xiàn)對(duì)S2恒星幾十微角秒的高精度天體位置的測量，未來有希望發(fā)現(xiàn)并跟蹤距離銀心黑洞更近且位于其強(qiáng)引力場中的天體。這一觀測上的重要進(jìn)展有望揭示黑洞及其時(shí)空上的一些獨(dú)有特性，準(zhǔn)確解讀有關(guān)測量將對(duì)黑洞強(qiáng)引力場中的天體運(yùn)動(dòng)理論提出全新要求。因此，研究黑洞周圍粒子束縛軌道運(yùn)動(dòng)對(duì)認(rèn)識(shí)黑洞物理、高精度天體測量以及相關(guān)物理過程具有重要意義。

對(duì)于繞超大質(zhì)量黑洞運(yùn)轉(zhuǎn)的恒星，由于恒星的質(zhì)量小于超大質(zhì)量黑洞，因此，該恒星可被視為一個(gè)繞該黑洞做束縛軌道運(yùn)動(dòng)的類時(shí)試驗(yàn)粒子。未來有望發(fā)現(xiàn)的比S2恒星更靠近銀心大質(zhì)量黑洞人馬A*的天體，因位于該黑洞的強(qiáng)引力場中，其測地軌道運(yùn)動(dòng)將不再是類開普勒運(yùn)動(dòng)，而表現(xiàn)為其獨(dú)有的周期軌道或近周期軌道形態(tài)。與弱引力場不同，強(qiáng)場下的周期軌道表現(xiàn)為多葉、回旋等形態(tài)（圖1），并可通過一個(gè)有理數(shù)q來表達(dá)。這種周期軌道有助于學(xué)界理解極端質(zhì)量比黑洞雙星并合過程中的絕熱內(nèi)旋階段。

黑洞最與眾不同的一個(gè)特點(diǎn)是擁有視界和中心奇點(diǎn)。目前，廣義相對(duì)論已通過了多種檢驗(yàn)，其中包括引力波探測及事件視界望遠(yuǎn)鏡觀測，但廣義相對(duì)論仍不完整。例如，它在黑洞中心奇點(diǎn)處會(huì)失效、與量子力學(xué)不相容、無法統(tǒng)一到粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型之下。解決這些問題的有效途徑是尋求大統(tǒng)一理論。在一些學(xué)者提出的大統(tǒng)一理論中，高維愛因斯坦-洛夫洛克理論被認(rèn)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。借助于黑洞周圍粒子束縛軌道動(dòng)力學(xué)研究，對(duì)探索該理論的強(qiáng)場檢驗(yàn)是一種新機(jī)遇。

針對(duì)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(yùn)動(dòng)空間和周期軌道運(yùn)動(dòng)形態(tài)，結(jié)果表明，和史瓦西黑洞相比，四維愛因斯坦-洛夫洛克黑洞周圍粒子的周期軌道運(yùn)動(dòng)有較低或較高的能量，主要取決于該理論中的耦合參數(shù)值（圖2）。上述研究將為描述強(qiáng)引力場中天體運(yùn)動(dòng)提供一定的理論基礎(chǔ)，厘清其軌道運(yùn)動(dòng)特征的物理根源，有望服務(wù)于未來對(duì)銀心區(qū)恒星高精度天體測量結(jié)果的科學(xué)分析。此外，黑洞周圍粒子動(dòng)力學(xué)研究也將有助于解決時(shí)空奇點(diǎn)和量子引力等科學(xué)難題。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《黑暗宇宙物理學(xué)》（Physics of the Dark Universe）上，中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)碩士一年級(jí)研究生林厚羽為論文第一作者，紫金山天文臺(tái)歷算與天文參考系團(tuán)組副研究員鄧雪梅為論文通訊作者。研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。

圖1.在赤道平面下黑洞周圍類時(shí)粒子周期軌道運(yùn)動(dòng)（H.-Y. Lin，X.-M. Deng，2021）

圖2.左圖：陰影部分為束縛軌道（l，E）允許區(qū)域（a=0為史瓦西黑洞）；右圖：描述周期軌道的有理數(shù)q隨能量變化（藍(lán)色為史瓦西黑洞）（H.-Y. Lin，X.-M. Deng，2021）

來源：中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)

來源：中科院之聲