25.4: 银河系中心
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- 202446
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述表明银河中心正在发生高能现象的无线电和 X 射线观测结果
- 解释银河中心的高分辨率近红外成像揭示了什么
- 讨论如何使用这些近红外图像与开普勒第三运动定律相结合来推导中心引力物体的质量
在本章开头，我们暗示银河系的核心包含大量物质。 实际上，我们现在有证据表明，该中心包含一个质量相当于460万个太阳的黑洞，所有这些质量都适合一个小于水星轨道直径的球体。 这种怪物黑洞被天文学家称为超大质量黑洞，这表明它们所含的质量远大于单颗恒星死亡所产生的典型黑洞的质量。 令人惊讶的是，我们有非常令人信服的证据证明这个黑洞确实存在。 毕竟，回想一下关于黑洞和曲线时空的章节，我们无法直接看到黑洞，因为顾名思义，黑洞不辐射能量。 而且我们甚至无法在可见光下看到银河系的中心，因为我们和银河中心之间的星际尘埃会被吸收。 来自银河系中心区域的光被所有这些尘埃调暗一万亿倍（\(10^{12}\)）。
幸运的是，我们在其他波长上并不那么盲目。 与星际尘粒的大小相比，红外和无线电辐射的波长很长，它们畅通无阻地流过尘埃粒子，因此几乎没有任何变暗即可到达我们的望远镜。 实际上，银河系原子核中非常明亮的无线电源，现在被称为射手座A*（发音为 “射手座A-star”，缩写为Sgr A*），是天文学家发现的第一个宇宙射电源。
走向中心之旅
让我们前往银河系的神秘心脏地带，看看那里有什么。 图\(\PageIndex{1}\)是一张横跨大约 1500 光年的区域的无线电图像，以射手座 A 为中心，射手座 A 是一个包含较小的射手座 A* 的明亮无线电源。 大部分无线电发射来自由热星团（恒星本身不产生无线电发射，也无法在图像中看见）或超新星爆炸波加热的热气。 无线电图像上可见的大多数空心圆都是超新星残余物。 无线电发射的另一个主要来源是电子在强磁场区域高速移动。 图中明亮的细弧和 “线” 向我们展示了这种发射的产生地。
现在，让我们重点关注使用能量更高的电磁辐射形式的中心区域。 该图\(\PageIndex{2}\)显示了以射手座 A* 为中心的 400 光年宽 900 光年的较小区域发射 X 射线。 在这张照片中可以看到数百个炙手可热的白矮星、中子星和恒星黑洞，其吸积盘上有 X 射线发光。 图片中的漫射雾霾是位于恒星中的气体排放的气体，温度为 1000 万 K。
当我们接近银河系中心时，我们发现了射手座 A* 的超大质量黑洞。 在射手座 A* 的几光年内，还有成千上万颗恒星。 其中大多数是古老的、带红色的主序列恒星。 但是，在过去的几百万年中，肯定已经形成了大约一百颗炙手可热的 OB 星。 对于最近在超大质量黑洞附近恒星如何形成，目前还没有很好的解释。 也许它们是在密集的恒星团中形成的，这些恒星最初距离黑洞更远，后来迁移得更近。
目前银河中心没有恒星形成，但是有许多尘埃和分子气体围绕着黑洞旋转，还有一些被热恒星加热的电离气流。 图\(\PageIndex{3}\)是一张显示这些气流带的无线电地图。
寻找银河之心
射手座 A* 到底是什么，它位于我们银河系的中心？ 要确定那里确实存在黑洞，我们必须证明有大量的质量挤在一个非常小的体积中。 正如我们在《黑洞》和《曲线时空》中看到的那样，证明黑洞的存在是一项挑战，因为黑洞本身不会发出辐射。 天文学家必须做的是证明黑洞是我们观测的唯一可能的解释——一个小区域所含的质量远远超过非常密集的恒星团或其他由普通物质构成的星团所能解释的质量。
在本次讨论中用一些数字来看，质量约为400万\(M_{\text{Sun}}\)的银河黑洞的事件视野半径只有太阳大小的17倍左右，相当于一颗红巨星。 该空间区域内的相应密度将远高于任何星团或任何其他普通天文物体的密度。 因此，我们必须测量射手座A*的直径及其质量。 必须进行无线电和红外观测，才能为我们提供必要的证据。
首先，让我们来看看如何测量质量。 如果我们使用配备自适应光学元件的红外望远镜将银河系内部的几个光天归零，我们会看到一个挤满了单颗恒星的区域（图\(\PageIndex{4}\)）。 这些恒星已经被观测了将近二十年，天文学家已经探测到它们在银河系中心周围的快速轨道运动。
看看动画版的 F igure\(\PageIndex{4}\)，它展示了多年来恒星的运动。
如果我们将对它们的周期和轨道大小的观测结果与开普勒第三定律相结合，我们可以估计使它们保持在轨道上的物体的质量。 其中一颗恒星已被观测到其15.6年的全轨道。 它最接近的距离仅为124 AU或距离黑洞约17光小时。 该轨道与对靠近银河中心的其他恒星的观测结果相结合，表明必须将质量为460万米的太阳集中在轨道内，也就是说，距离银河中心不到17光小时。
对银河系中心质量集中大小的更严格限制来自射电天文学，它为银河系中心可能存在黑洞提供了第一条线索。 当物质向内螺旋向黑洞的事件视野时，它会在旋转的吸积盘中加热并产生无线电辐射。 （在《黑洞》和《曲线时空》中解释了这样的吸积盘。） 使用提供非常高的空间分辨率的超长基线阵列对吸积盘大小的测量表明，射手座 A* 无线电源的直径不大于 0.3 AU 左右，也不会大于水星轨道的大小。 （在轻型单位中，这只有 2.5 光分钟！）
因此，观测结果表明，有460万个太阳质量挤在一个直径不大于水星轨道的体积中。 如果这不是超大质量黑洞 —— 发射很少光的低质量恒星、中子星或大量的小黑洞 —— 计算表明，这些物体将非常密集，以至于它们将在十万年内崩溃成一个黑洞。 与可能在130亿年前开始形成的银河时代相比，这是很短的时间。 由于我们似乎不太可能在如此复杂的物体群崩溃之前将其捕获，因此银河系中心存在超大质量黑洞的证据确实令人信服。
寻找来源
我们的银河黑洞来自哪里？ 像我们这样的星系中超大质量黑洞的起源目前是一个活跃的研究领域。 一种可能性是，银河系中心附近的一大团气体直接倒塌形成黑洞。 由于我们在大多数其他大型星系（参见 Active Galaxies、Quasars 和 Supermassive Black Holes）的中心发现了大型黑洞，即使是非常年轻的星系，这种崩溃可能发生在银河系刚刚开始形成的时候。 这个黑洞的初始质量可能只有几十个太阳质量。 另一种可能开始的办法是，一颗巨大的恒星可能爆炸后留下种子黑洞，或者一群密集的恒星可能已经崩溃成黑洞。
一旦银河系中心存在黑洞，它就可以在接下来的几十亿年内通过吞噬拥挤的中心区域附近的恒星和气云而生长。 它也可以通过与其他黑洞合并而生长。
看来我们银河系中心的怪物黑洞还没有 “吃完”。 目前，我们观察到气体和尘埃云以大约千分之一\(M_{\text{Sun}}\)的速度落入银河中心。 黑洞的菜单上也有星星。 银河中心附近的恒星密度足够高，以至于我们预计每隔一万年左右就会有一颗恒星通过黑洞并被黑洞吞噬。 发生这种情况时，一些流入的能量会以辐射的形式释放。 结果，银河系的中心可能会爆发，甚至短暂地超过银河系中的所有恒星。 其他物体也可能冒险离黑洞太近而被拉入。 我们观察到的耀斑有多大将取决于落入的物体的质量。
2013年，钱德拉X射线卫星从银河系中心探测到一枚耀斑，其亮度是射手座A*通常输出的400倍。 一年后，还发现了第二枚耀斑，亮度只有一半。 这比吞下整颗恒星所产生的能量要少得多。 有两种理论可以解释耀斑的原因。 首先，小行星可能冒险离黑洞太近，在被吞没之前被加热到非常高的温度。 或者，耀斑可能涉及银河中心附近磁场的相互作用，其过程与太阳耀斑所描述的过程类似（见《太阳：花园综艺之星》）。 天文学家继续监视银河中心区域是否有耀斑或其他活动。 尽管银河系中心的怪物离我们不够近，不足以构成任何危险，但我们仍然想密切关注它。
安德里亚·盖兹
安德里亚·盖兹（Andrea Ghez）是拼图爱好者，他一直在寻找天文学中最大的谜团之一：银河系中心潜伏着什么奇怪的实体？ 1960 年代后期，Andrea Ghez（图\(\PageIndex{5}\)）还是个孩子生活在芝加哥，对阿波罗登月着迷了。 但是她也被芭蕾舞和解决各种难题所吸引。 高中时，她已经失去了芭蕾舞错误，转而参加曲棍球比赛、演奏长笛和更深入地研究学者。 她在麻省理工学院的本科时期，她的专业发生了许多变化，从数学到化学、机械工程、航空航天工程，最后是物理学，她觉得自己的选择最为开放。 作为物理专业的学生，她在一位讲师的指导下开始从事天文学研究。 当她在亚利桑那州的基特峰国家天文台和后来在智利的塞罗托洛美洲天文台进行一些实际观测后，盖兹就找到了她的电话。
在加州理工学院攻读研究生课程时，她坚持研究物理学，但将精力转向了观测天体物理学，加州理工学院可以在这个领域获得尖端设施。 尽管最初被怀疑存在于大多数大型星系中的黑洞所吸引，但盖兹最终将大部分研究生学习和后来的博士后研究都花在了亚利桑那大学研究正在形成的恒星。 通过对新恒星诞生的区域进行非常高分辨率（详细）的成像，她发现大多数恒星都是二进制系统的成员。 随着技术的进步，她得以追踪由这些恒星配对跳舞的轨道，从而确定它们各自的质量。
盖兹现在是加州大学洛杉矶分校的天文学教授，此后他使用了类似的高分辨率成像技术来研究银河系最内层核心的恒星轨道。 这些轨道需要数年时间才能描绘，因此 Ghez 和她的科学团队记录了在夏威夷使用巨型凯克望远镜拍摄超分辨率红外图像的20多年。 根据由此产生的恒星轨道，加州大学洛杉矶分校银河中心小组已经（如我们所见）确定了一种引力解，该解决方案要求存在一个质量相当于460万个太阳的超大质量黑洞，所有这些黑洞都坐落在一个比太阳系所占空间小的空间内。 盖兹的成就得到了麦克阿瑟基金会颁发的 “天才” 奖项之一的认可。 最近，她的团队发现了发光的温电离气体云，它们与恒星同轨，但可能更容易受到中央黑洞的破坏性影响。 通过监测这些云层，研究小组希望更好地了解超大质量黑洞及其周围环境的演变。 他们还希望通过仔细检查最接近强烈引力黑洞的恒星的轨道来检验爱因斯坦的广义相对论。
除了作为天文学家的开创性工作外，盖兹还以游泳大师的身份参加比赛，作为两个孩子的母亲享受家庭生活，并积极鼓励其他女性从事科学事业。
摘要
一个超大质量黑洞位于银河系的中心。 对位于中心几光天内的恒星速度的测量结果表明，它们绕中心轨道内的质量约为460万\(M_{\text{Sun}}\)。 无线电观测表明，这种质量集中在直径与水星轨道直径相似的体积中。 这种物质浓度的密度比已知最密集的星团高出近一百万倍。 唯一已知具有如此高密度和总质量的物体是黑洞。
词汇表
- 超大质量黑洞
- 位于大多数大型星系中心的物体，它如此庞大和紧凑，以至于光线无法逃脱；银河系的超大质量黑洞包含价值460万个太阳的质量