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銀心黑洞才430萬倍太陽品質,它怎麼束縛住銀河系的上千億恒星?
2023/03/29

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銀河系是一個龐大的結構,其直徑至少有10萬光年,厚度約2千光年,其中包含的恒星數量可達1000至4000億顆。這些恒星都有一個共同特點,它們都會環繞銀河系中心公轉,我們的太陽也是如此。而在銀河系的中心,潛伏著一個品質為太陽430萬倍的超大品質黑洞——人馬座A*。那麼,銀河系的恒星運動都是受到人馬座A*引力的控制嗎?

事實并非如此。雖然恒星繞銀心旋轉,并且銀心那里有一個超大品質黑洞,但這兩者并沒有直接的關系。銀河系中的恒星運動并沒有受到人馬座A*引力的控制,只有極少數的恒星才會受到銀心超大品質黑洞的束縛。這是因為人馬座A*的品質遠小于整個銀河系的品質,所以該黑洞的引力主要范圍其實很有限。

據估計,銀河系中的普通物質總品質至少為太陽的1萬億倍,這相當于人馬座A*品質的23萬倍。

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人馬座A*的品質占比不到0.0005%,它的引力不可能會束縛住所有恒星的運動。相比之下,太陽的品質占到整個太陽系總品質的99.8%,所以太陽的引力會控制其他所有太陽系天體的運動。

雖然人馬座A*無法主宰銀河系中的恒星運動,但它可以主宰少數靠近它的恒星運動。天文學家已經觀測到多顆環繞人馬座A*運動的恒星,例如,編號為S2的恒星就是其中一顆。

S2大約每隔16年環繞人馬座A*旋轉一周,它與黑洞的最近距離約為120天文單位(180億公里),對應的最快軌道速度高達7650公里/秒(地球的公轉速度僅為30公里/秒)。天文學家對這顆恒星的運動進行了長期跟蹤,其實際軌道和一系列引力效應與廣義相對論的預言十分吻合。

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至于為什麼銀河系中的恒星都會以銀心作為公轉中心,其原因并非人馬座A*的引力作用,而是因為銀河系的共同質心正是銀心,這是銀心的意義所在。

事實上,所有天體的運動都是以共同質心為中心。太陽系中的天體并非真正意義上繞著太陽運動,而是繞著太陽系共同質心運動。只是太陽的品質占比非常大,使得太陽系的共同質心就在太陽附近,所以看起來天體在繞著太陽旋轉。

那麼,為什麼人馬座A*又會剛好處在銀心呢?并且很多星系的中心都有超大品質黑洞呢?

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關于星系中心的超大品質黑洞形成機制目前尚不清楚,理論上存在兩種可能的機制。一種模型認為,大品質恒星死亡之后會坍縮成黑洞,它們與其他黑洞發生碰撞,并且還會逐漸吸積星際空間中的氣體云,最終成長為超大品質黑洞。另一種模型認為,星際空間中的巨大氣體云直接沒有經歷恒星過程,而是直接坍縮成超大品質黑洞的種子,最終演變為超大品質黑洞。

無論是哪種機制,種子黑洞要演變為超大品質黑洞,必須吞噬大量的物質和其他黑洞。由于長時間的動力學效應,最終能夠成長為超大品質黑洞的種子黑洞必然會逐漸遷移到星系中心。在星系中心,還能捕獲更多的物質,從而使品質進一步增大。有些超大品質黑洞的品質可達太陽的數十億倍,例如,M87*,有些甚至可達太陽的數百億倍。

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