银心大质量黑洞周围恒星轨道与广义相对论无毛定理检验

The tests of no-hair theorem are of fundamental importance in verifying the theory of general relativity and the understanding of the nature of the astrophysical black holes. Current observations have revealed dozens of S-stars closely orbiting the massive black hole in the Galactic center. The orbital motion of these stars, which contain various high order GR-effects, is anticipated to provide unique dynamical tests of the Kerr metric and the no-hair theorem in the strong gravitational field. By performing numerical simulations, we aim to study the apparent orbital motion and the redshift of the stars under the Kerr metric and quasi-Kerr metric. We also consider the perturbing effects of the background environments. By comparing the intrinsic difference among the effects due to the quadruple moment of Kerr metric, the quadruple moment of quasi-Kerr metric, and the background perturbations, it is plausible to remove the stellar perturbations from the observational data. The unbiased measurements of the quadruple moment of the metric in the stellar motions can then be used in constraining the no-hair theorem. The investigations proposed in this study are essential for tests of the no-hair theorem and the gravity theories via stellar orbital motion around the massive black hole in the Galactic center.

无毛定理的检验是广义相对论和黑洞天体物理学中的一个前沿基本问题。观测在银心超大质量黑洞周围发现了许多近距离的年轻恒星，其轨道运动中含有克尔度规预言的自旋及四极矩的广义相对论效应。因此，这些年轻恒星提供了一个在强引力场下检验相对论效应及无毛定理的优良探针。在本项目中，我们使用数值模拟来计算银心超大质量黑洞周围恒星在克尔度规、类克尔度规及背景扰动效应下的轨道运动，并模拟其在望远镜中的观测位置和红移。通过模拟恒星轨道中相对论四极矩效应、类克尔度规的四极矩效应、及背景扰动效应，研究三者之间的物理性质上的区别，以便去除背景扰动效应、精确测量相对论效应及检验黑洞无毛定理。该研究对于研究强场下使用动力学方法验证精确测量黑洞自旋和四极矩的相对论效应，检验黑洞无毛定理及引力理论具有重要意义。

红外观测发现在银心中存在着许多年轻恒星。其中一些恒星距离大质量黑洞非常近，因此它们是在强引力场下检验相对论效应及无毛定理的优良探针。在本项目中，我们完成了一个完善的，能计算在克尔度规和恒星背景扰动效应下的恒星和脉冲星运动轨道的广义相对论数值代码，能够预言银心超大质量黑洞周围恒星、脉冲星在未来TMT或SKA等望远镜上的观测信号。我们进行的研究及其主要结果如下：（1）恒星绕银心大黑洞旋转时，背景扰动效应与相对论效应的区别研究。我们发现背景扰动与相对论效应在红移、位置观测信号上存在明显区别，并发现在恒星与黑洞距离小于约300个天文单位时，背景扰动效应才不会影响相对论信号；（2）恒星绕黑洞旋转时，施瓦茨、克尔和四极矩的相对论轨道周期扰动效应研究。我们发现未来通过测量这些周期效应可以用于相对论验证；（3）脉冲星绕银心黑洞旋转时，其相对论观测效应与对黑洞自旋参数限制研究。我们预言了在未来SKA望远镜中观测到的这些脉冲星测时信号。我们发现，由于脉冲星观测信号极其精确，其观测信号的相对论效应对黑洞自旋参数的限制比恒星要高数个数量级；（4）此外，我们还在类星体X射线光变模型、快速射电爆的射电散射与星系际介质的关系、在星系中心含大质量黑洞时的双黑洞并合事件率等方面展开了研究。