【人马座A黑洞】银河系中心真有黑洞吗?400多万个太阳质量人马座A黑洞得了解

2020-06-03 - 人马座

目前的数据间接证明了,我们所处的银河系中心确实有一个黑洞,而且是超大质量的黑洞。它处于人马座A结构中,我们称这个黑洞为人马座A*。其质量大约为400多万个太阳质量,直径约为4400万千米。本文将简略的介绍这个黑洞。

人马座A黑洞

人马座A*位于银河系中心,是靠近人马星座和天蝎星座边界的一个明亮而致密的无线电波源(astronomical radio source)。它是一个更大的天文特征结构的一部分,这部分被称为人马座A。人马座A* 这个位置附近被认为有一个超大质量的黑洞,和现在普遍认为位于大多数螺旋星系和椭圆星系中心的那些黑洞一样。

人马座A黑洞

在围绕人马座A*的轨道上观测到的S2(恒星)显示了银河系中心超大质量天体的存在,并得出有关该天体的数据,从而得到了一种结论,人马座A*附近存在一个黑洞。

人马座A *(中心)和最近一次爆炸产生的两个轻微回波(带圆圈),图:NASA

人马座A黑洞

中心黑洞

根据目前的数据,人马座A*射电发射似乎不是以空穴(洞)为中心,而是由黑洞周围区域中的亮点产生,靠近事件视界;发射源可能是在吸积盘中,或者是从盘中喷出的相对论性物质射流中。如果人马座A *的明显位置正好位于黑洞的中心位置,那么由于引力透镜,它可能会被放大到超出其实际的大小。 根据广义相对论,这将导致观测大小的最小数据至少为黑洞史瓦西半径的5.2倍,对于大约400万个太阳质量的黑洞来说,这相当于最小观测大小约为52μs(微角秒),这比以往观察到的37微角秒的大小要大得多。

人马座A黑洞

天文学家相信,人马座A*的这些观测为我们提供了很好的证据,再结合经验判断,银河系中心确实有一个超大质量黑洞,距我们太阳系有约26000光年之远,因为有:

l恒星S2遵循椭圆轨道,周期为15.2年,并且距离中心物体中心的光点(最近距离)为17光时(1.8×10的13次方米)。

l根据恒星S2的运动,该天体的质量可以估计为410万个太阳质量。(相应的史瓦西半径为0.08AU/1200万km/740万英里;比太阳半径大17倍)。

l中心物体的体积可以进一步受到恒星S0-16(也称为S14)的轨道的约束,该轨道在45 AU内没有碰撞。

但是现在,黑洞质量和直径的估计主要受到与物体距离的不确定性的限制。

人马座A *的质量以两种不同的方式估算

第一种:德国和美国的两个研究小组监测了黑洞附近单个恒星的轨道,并利用开普勒定律推断出封闭的质量。德国研究小组计算出4.31±38万个太阳质量的超大质量黑洞,而美国研究小组计算的是3.7±20万个太阳质量。考虑到这个质量被限制在直径4400万千米的球体内,因此这产生的密度比先前的估计值密度要高出十倍。

第二种:最近,在离黑洞大约1秒差距内测量了几千颗恒星样本的自行运动,结合统计技术,得出了黑洞质量估计值为3.6 0.2(或3.6-0.4)×106个太阳质量(M) ,加上1秒差距中心分布的质量,总质量可以达到(1±0.5)×106个太阳质量。后者被认为是由恒星和恒星残余物组成的。

观察与描述

由于尘埃和气体阻挡了在其光源和地球之间很多的光(消光),所以其亮度已经暗于25(等),也就是说天文学家无法在光谱中观测到人马座A*。

几个研究小组试图使用超长基线干涉测量法(VLBI)在无线电频谱中对人马座A *进行成像。目前最高分辨率的测量,在1.3毫米的波长下进行,表明光源的角直径为37微角秒(1角秒=100万微角秒)。这是什么概念?距离26000光年,它的直径仅仅4400万公里。相比之下我们打个比方,地球距离太阳平均为1亿5000万公里,水星在近日点时距太阳的距离约为4600万公里。其观测难度可见一斑。

人马座A*的自行运动中,对于赤经的运动,大约每年-2.70mas(毫角秒),对于赤纬运动,大约每年-5.6mas(毫角秒)。

截至2017年4月,已经有了用事件视界望远镜直接拍摄的人马座A*的无线电图像,但数据仍在处理中,图像尚未发布。“事件视界”望远镜使用干涉法将从地球上不同地方的广泛间隔的观测站拍摄的图像组合起来,以便获得更高的图像分辨率。

历史

卡尔·央斯基(Karl Jansky),被认为是射电天文学之父,在1931年8月发现一个射电信号来自银河系中心的一个位置,朝向人马座的方向。

1974年2月13日和15日,天文学家布鲁斯·巴里克(Bruce Balick)和罗伯特·布朗(Robert Brown)使用国家射电天文观测台的基线干涉仪发现了人马座A *。人马座A *这个名字是布朗在1982年的论文中创造的,因为无线电源是“令人兴奋的”,原子的激发状态用星号表示。

2002年10月16日,由马克斯普朗克外星物理研究所的赖因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)领导的一个国际小组在十年内观察了人马座A *附近的S2恒星的运动。根据研究小组的分析,这些数据排除了人马座A*包含一群暗恒星物体或大量简并费米子(degenerate fermions)的可能性,从而增加了大质量黑洞的证据的可信度。S2的观测使用近红外(NIR)干涉测量法(在K波段,即2.2μm),因为在这个波段减少了星际消光。使用SiO天文物理迈射将NIR图像与无线电观测对准,因为它们可以在NIR和无线电波段中被观察到。 S2(以及其他附近恒星)的快速运动很容易与视线中较慢的运动恒星相抵,因此可以从图像中减去这些多余的图像。

人马座A*的VLBI无线电观测也可以与图像中心对准,因此可以看到围绕人马座A*的S2恒星轨道走向。通过研究S2的开普勒轨道,他们可以确定人马座A*的质量大约为2.6±0.2百万个太阳质量,被限制在半径不超过17光时(120AU)的体积内;后来对恒星S14的观测表明,该天体在半径不大于6.25光时(45 AU)或大约67亿公里的体积内,质量约为410万个太阳质量。S175在相似的距离内通过。为了作比较,史瓦西半径(Schwarzschild radius)为0.08 AU。 他们还确定了从地球到银河系中心(银河系的自转中心)的距离(这对于校准天文距离标度很重要),其值约为8.0±0.6×103秒差距。

2004年11月,一个天文学家小组报告发现了一个潜在的中等质量黑洞,称为GCIRS 13E,其轨道距离人马座A*有3光年远。这个1300个太阳质量的黑洞位于七颗星团之内。这一观察可能会增加超大质量黑洞通过吸积附近较小的黑洞和恒星而增长的观点的可信度。

在监测人马座A *周围的恒星轨道16年后,Gillessen等人估计,该天体的质量为4.31±0.38百万个太阳质量。 结果于2008年公布,并于2009年在《天体物理学杂志》上发表。该研究的团队负责人赖因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)表示,该研究已经提供了“现在被认为是超大质量黑洞确实存在的最佳经验证据”。银河系中心的恒星轨道显示出其中心质量浓度为4 百万个太阳质量,显然它必须是一个黑洞,这将是毫无疑问的。”

2015年1月5日,美国国家航空航天局报告称,从人马座A *观察到的X射线耀斑比平时亮400倍,这数据破了以往观测的纪录。根据天文学家的说法,这种不寻常的事件可能是由于小行星撞入黑洞分裂或者流入到人马座 A *的气体中,引起了磁场线的缠绕。

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