近日，beat365科維理天文與天體物理研究所邵立晶研究員及其博士生胡澤昕基于理論分析和數值模拟，提出了利用兩顆或多顆脈沖星聯合觀測，精确測量銀河系中心超大質量黑洞自旋的新方法。研究成果為未來銀心脈沖星測時觀測與數據處理提供了理論指導，深化了大型國際合作項目“平方公裡陣列”（Square Kilometre Array；SKA）射電望遠鏡在利用銀心脈沖星測時觀測來檢驗引力與黑洞時空方面的科學。該工作以“利用兩顆脈沖星測量銀心超大質量黑洞自旋”(Measuring the Spin of the Galactic Center Supermassive Black Hole with Two Pulsars)為題，于2024年12月6日發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

未來下一代射電望遠鏡，如我國作為創始國之一和重要成員國參與的SKA望遠鏡，有望觀測到繞銀河系中心超大質量黑洞做軌道運動的脈沖星。這樣的體系将是檢驗引力理論和探測銀心天體物理環境的理想實驗室。理論計算表明，通過銀心脈沖星的測時觀測，可精确測量銀心超大質量黑洞的物理參數，提供廣義相對論中“黑洞無毛定理”的直接檢驗。然而，受限于黑洞自旋參數在脈沖星測時觀測中的簡并性，此前該類研究高度依賴于存在極小軌道周期銀心脈沖星的假設，在未來實際觀測中有一定的不确定度。

銀心黑洞與兩顆脈沖星的示意圖（beat365 / 胡澤昕 & 邵立晶；背景圖：ESO & NASA）

針對以上問題，胡澤昕和邵立晶提出并發展了基于聯合兩顆脈沖星測時觀測，共同限制銀心超大質量黑洞自旋的數據分析框架。研究利用邵立晶課題組此前構建的基于後牛頓運動方程的超大質量黑洞-脈沖星數值測時模型，對實際觀測進行了詳細的數值模拟。分析結果表明，軌道周期為年量級的兩顆脈沖星的聯合觀測可達到對銀心超大質量黑洞自旋的高精度測量。而銀心脈沖星族群模型的估計表明，研究提出的方案在未來實際觀測中有更高的可實現性。新方法不僅在領頭階上打破了黑洞自旋參數測量的簡并性，且易于推廣到多顆脈沖星的情況。相較于傳統方法所要求的脈沖星軌道參數高階時間導數的測量，該方法僅依賴于脈沖星軌道參數及其一階時間導數的觀測，從而所需的觀測時間更短、結果更可靠。該工作為未來銀心脈沖星測時觀測與數據處理提供了新的理論指導，強化了未來銀心脈沖星測時觀測在檢驗引力方面的科學。

beat365官方网站天文學系2022級博士生胡澤昕為論文第一作者，邵立晶為通訊作者。研究工作得到了國家科技部SKA專項、國家自然科學基金委、馬克斯·普朗克學會“馬普夥伴合作小組”等項目的資助。

論文原文鍊接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.231402