銀心黑洞首張照片!質量僅銀河系0.00045%,為何能束縛千億恒星?

好消息!銀河系中心黑洞的首張照片公布!

2019年4月10日,全球多地天文學家同步公布了首張黑洞照片,該黑洞是位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心,距離地球有5500萬光年,質量大概是太陽質量的65億倍。

在當時其實事件視界望遠鏡(EHT)合作組織也分享了一個消息,關于黑洞的拍攝是從2017年開始拍攝,當時拍攝了M87的中心黑洞以及 銀河系中心黑洞

經過2年的不懈努力,科學家利用數據分析和超級計算機合成的方式,才得到了M87的中心黑洞照片。而銀河系中心黑洞的照片一直還未能「洗出來」。

這不又過了三年的時間,這張耗時5年才「洗」出來的銀河系中心黑洞的照片,終于在2022年5月12日全球多地天文學家同步公布。

根據德國天文學家們2008年的研究,銀河系中心黑洞「人馬座A」距離地球2.6萬光年,它的質量約為400萬倍太陽質量,與M87中心黑洞一樣,它們同屬于超大質量黑洞。相信有不少人有疑問:

相對于M87的中心黑洞而言,銀心黑洞的距離更近,應該更好拍攝才對,為何反倒合成時間更長呢?

這其實主要是因為銀心黑洞要比M87的中心黑洞小很多,同時由于距離更近,周圍物質變化的可能性要大很多,幾乎幾分鐘就會發生一次改變,導致拍攝難度大,數據分析和合成難度也大大地加大,科學家開發了專門的工具把它的照片給「洗出來」。

而我們知道的是,一個國際研究團隊曾利用復雜的模型來測算銀河系的總質量,結果他們的道的結果為8900億倍。不僅如此,根據現有的研究表明,銀河系當中,恒星的數量達到了1500億-4000億顆。

那麼問題就來了,銀心黑洞的質量只有銀河系總質量的0.00045%,為何它能束縛住這麼多恒星嗎?

要了解這到底有多反常,我們不如先來看看太陽系的情況。

太陽是太陽系的絕對核心,太陽系中其他的天體幾乎都繞著太陽轉。而太陽的質量占據了太陽系總質量的99.86%。

宇宙中是質量為王,質量越大,引力越大。所以,太陽束縛住太陽系內其他天體可以說在理論上是合情合理的。

可是,銀心黑洞幾乎不一樣了,它的質量實在太小,根據引力理論,它不足以束縛住銀河系中那麼多的恒星,銀河系早就應該分崩離析才對。

那麼這個問題,我們需要分兩層來看。首先,銀河系中心不只有一個黑洞,還有很多其他的東西,銀河系理論上也不是單靠一個銀心黑洞束縛的。

銀河系是由銀核、銀盤和銀暈三個部分共同構成的。

銀核是銀河系中央略為凸起的部分,是一個很亮的球狀體,它的直徑大概為2萬光年,厚大概為1萬光年。

銀心黑洞位于銀核當中,銀核當中還有還有很多高密度的恒星和星際物質,銀核的物質密度是要遠遠高于銀河系其他地方的,錢德拉塞卡空間望遠鏡之前還曾經在銀心黑洞周圍發現了一個中型黑洞。

不過,即便是我們把整個銀核的質量都算上,也依然不足以把整個銀河系中的天體都束縛在一個固定的范圍。

不僅如此,早在上世紀30年代,就有科學家發現了這個問題。天文學家茲威基和奧爾特都先后發現類似的問題: 按照引力理論,越遠離星系中心,恒星的運動速度應該是越慢的,可是它們發現,星系外圍的恒星速度并沒有明顯變慢。

舉個具體的例子,太陽就位于銀河系比較外圍的地帶,按照引力理論來計算,我們可以得到,太陽理論上繞著銀河系中心的運動速度應該是160公里/秒,可實際上,經過觀測得到的結果卻是:240公里/秒。這快出來80公里到底是咋來的?

我們可以拿鏈球來做對比,鏈球運動員開始甩鏈球時,如果鏈球的速度越甩越快,那麼這個時候,運動員需要拽住鏈球的力量就得越大,否則鏈球就會飛出去。

同樣的,科學家在研究銀河系時就發現,銀河系所能提供的引力,其實沒辦法拽住運動速度這麼快的太陽,當然也包括銀河系其他的恒星,那麼 提供額外引力的到底是什麼?

到了1970年,科學家薇拉·魯賓也發現了類似的情況,并進行了細致的觀測,通過觀測結果表明,星系中應該存在著一些不可見的物質。

可能很多人看到這里會好奇:咋可能會不可見?

要了解這個問題,我們就得弄清楚,人是如何看到東西的?

首先,需要物體發光或者發射光,然后進入到人眼當中,光子與人眼中的細胞相互作用,通過視覺系統把信號傳遞給大腦,這時候人才能看到東西。用望遠鏡等設備觀測,原理也是類似的,而這個過程中涉及到了電磁相互作用。那到底是怎麼回事呢?

在宇宙當中,存在著四種基本作用,萬事萬物的相互作用都是這四種最基礎的,它們分別是 強相互作用,弱相互作用,引力相互作用和電磁相互作用

其中,強相互作用和弱相互作用主要是在原子核層面的,在日常生活中,除了引力之外,剩余的力都屬于電磁相互作用。

也就是說, 我們肉眼能看到的東西的本質是電磁相互作用,光子與人眼細胞發生作用,以及后續信息的傳遞都屬于這一類,用設備觀測也都是依靠電磁相互作用。如果有一種物質不參與電磁相互作用,只參與引力相互作用,那麼我們就無法觀測它的存在,但卻能發現到它的引力作用。

后來,經過科學家的研究就發現,宇宙中真的存在著這樣的物質,它也被稱為: 暗物質。不僅如此,暗物質的總量遠比可見的物質總量要多得多,大概是可見物質的6倍。正是暗物質施加了額外的引力,才使得銀河系中的這些天體被束縛在了固定的區域范圍內,而沒有分布離析。

更有意思的是,根據科學家們后續的研究發現,宇宙中最多的其實也不是暗物質,而是暗能量,它們的物質占比遠遠超過了暗物質和可見物質的總和。

而暗物質和暗能量的研究恰恰是未來人類研究宇宙的關鍵鑰匙,也是科學研究的最前沿陣地。


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