愛因斯坦再次出錯?銀河系中心的超大質量黑洞並不止一個

銀河系中心有一個黑洞,名為人馬座A *,質量為400萬倍的太陽質量,它承載著整個銀河系的運轉,銀河系的各大旋臂都要圍繞著這個巨大的黑洞運行,它也是距離地球最近的一個射電波源,距離太陽系2萬6千光年。

在銀河系之內,肯定不止人馬座A *這一個黑洞,在其他地方也有大質量黑洞,不過距離人馬座A *非常之遠,這些不在同一個位置的黑洞在一起維持了整個銀河系的穩定運行,難道銀河系中心就真的只有人馬座A *這一個超大質量黑洞嗎?星系形成的性質表明答案是否定的,這一點,著名物理學家愛因斯坦或許也犯了錯誤。

愛因斯坦再次出錯?銀河系中心的超大質量黑洞並不止一個

從最初的星系的形成到黑洞的產生,恆星甚至行星的引力的相互作用,它們一起形成了許多有關的系統,但是在這些天體系統之中,黑洞是一個有趣的系統,超大質量的黑洞和圍繞它們的密集恆星環境代表了我們宇宙中最極端的地方之一。

自從宇宙大爆炸結束後,人馬座A *就一直待在銀河系中心,讓銀河系穩定運行,其質量約為太陽質量的400萬倍,黑洞是太空中引力巨大,粒子或光都無法從其逃逸的天體。在人馬座A *周圍都是一些密集的恆星簇。這些恆星簇圍繞其運轉,在恆星簇中的各大恆星,都有其準確的運行軌道,科學家們對這些恆星軌道的精確測量,使人類能夠確認這個超大質量黑洞的存在以及對它的測量工作。

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90年代開始到現在的20多年來,科學家們一直在監視人馬座A *周圍這些恆星的軌道,根據天體物理學家們的觀察和測量發現,人馬座A *並不是一個“人”孤單的待在銀河系中心,其附近可能會有第二個黑洞,其質量至少是太陽質量的10萬倍。

人馬座A *這個超大質量黑洞,其實並不孤單

包括我們的銀河系在內的每個星系,其中心都有一個超大質量的黑洞,其質量是太陽質量的數百萬至數十億倍,雖然我們都知道這個定律,但是天文學家們仍在研究為什麼每個星系的中心都會有一個超大質量的黑洞的問題,針對這個問題,天文學界和物理學界共同產生了一個想法——每個星系中心的超大質量黑洞周圍其實還伴隨著一個普通黑洞,讓其能夠在星系中心穩定的運行。

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在我們銀河系的中心,有一個超大質量的黑洞,位於人馬座A區。它的質量約為太陽質量的400萬倍。

這個想法並不容易理解,要理解這個想法,我們需要將時間倒退回到大約1億年前的宇宙時代,去到第一個星系時代。在該時代所運行的星系,比現在所發現的某些星系要小,比銀河系重約10,000倍或更多倍。在這些早期星系中,首批死亡的恆星產生了黑洞,其質量約為太陽的數萬倍至上千倍,這些黑洞在運行的過程中沉入重心(重心是宿主星系的心臟)。由於星系是通過相互融合和碰撞而演化的,所以星系之間的碰撞會使各個星系之中的黑洞產生碰撞並且增大,隨即將導致超大質量黑洞的產生。

如果確實超大質量黑洞有另一個黑洞繞著它繞著公轉,那麼銀河系的中心就鎖定在了一個複雜的“舞蹈”之中,兩個黑洞相互之間的引力還將對附近擾亂其軌道的恆星施加自身的吸引力,同時,兩個超大質量黑洞相互環繞,每個黑洞都對周圍的恆星施加自己的吸引力。

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黑洞的引力拉動這些恆星並使它們改變軌道,在繞超大質量黑洞對旋轉一圈之後,一顆恆星將不會精確地回到其開始的位置。利用我們對可能的超大質量黑洞對與周圍恆星之間引力相互作用的理解,天文學家可以預測恆星將發生什麼,然後可以確定恆星的可能軌道,並找出超大質量黑洞是否具有正在施加引力影響的“夥伴”,即伴隨黑洞。

利用一顆稱為S0-2的恆星,每16年繞行一次位於銀河系中心的超大質量黑洞,我們就可以排除存在第二個質量超過100,000倍的超大質量黑洞的想法,太陽的質量,其距離比太陽與地球之間的距離大200倍。如果人馬座A *周圍有一個普通黑洞的話,那麼它必定會對SO-2的軌道產生影響。

但這並不意味著較小的黑洞無法隱藏在人馬座A *周圍,這樣的黑洞可能不會以我們人類可以輕鬆測量的方式改變SO-2的軌道,超大質量黑洞最近引起了很多關注,最近在銀河系M87中心出現了另一個大質量黑洞打開了一個新的研究窗口,可以讓天文學家們理解黑洞背後的物理現象。

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位於M87星雲中的黑洞,人類歷史上第一個拍攝到的黑洞圖像

隱藏在超大質量黑洞中的物理學

在銀河系中心的附近,距離地球24,000光年遠的地方為解決超大規模黑洞的基本物理學問題提供了一個獨特的實驗室,在銀河系中心發現一對超大質量黑洞將表明銀河系在過去的某個時間與另一個可能很小的星系合併了。

監視周圍的恆星並不能告訴我們所有這些,對恆星S0-2的測量使科學家能夠對愛因斯坦的廣義相對論進行獨特的測試。2018年5月,S0-2越過了超大質量黑洞,其距離僅為地球與太陽距離的130倍,根據愛因斯坦的理論,恆星發出的光的波長應在其從超大質量黑洞的深引力井中爬升時伸展。

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愛因斯坦預測的拉伸波長(使恆星顯得更紅)被檢測到,並證明了廣義相對論準確地描述了 這個極端引力區內的物理學,許多天體物理學家相信都在等待著16年後再次接近S0-2,在16年後眾多天體物理學家將能夠檢驗愛因斯坦對廣義相對論的更多預測,包括恆星拉長軌道方向的變化。當然,這是建立在人馬座A *周圍沒有其他大質量黑洞的前提上,如果人馬座A *周圍確實存在著超大質量黑洞有,這就會改變愛因斯坦的預期結果。

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兩個黑洞合併產生引力波

最後,如果銀河系中心有兩個巨大的黑洞互相繞行,它們將發出引力波,自2015年以來,激光干涉引力波天文臺一直在探測恆星質量黑洞和中子星產生的引力波輻射,如果人馬座A *周圍確實存在另一個大質量黑洞,我們將會通過激光干涉引力波天文臺來確認此黑洞存在與否,但是不得不說,愛因斯坦確實很偉大,不管最終他的預測是對錯與否,它的貢獻對於人類來說都是不可磨滅的,讓我們靜靜等待揭開真相的那一天的到來吧!


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