银心黑洞首张照片!质量不足银河系0.0005%,为何束缚千亿恒星?

好消息!银河系中心黑洞的首张照片公布!

2019年4月10日,全球多地天文学家同步公布了首张黑洞照片,该黑洞是位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球有5500万光年,质量大概是太阳质量的65亿倍。

银心黑洞首张照片!质量不足银河系0.0005%,为何束缚千亿恒星?插图

在当时其实事件视界望远镜(EHT)合作组织也分享了一个消息,关于黑洞的拍摄是从2017年开始拍摄,当时拍摄了M87的中心黑洞以及银河系中心黑洞

经过2年的不懈努力,科学家利用数据分析和超级计算机合成的方式,才得到了M87的中心黑洞照片。而银河系中心黑洞的照片一直还未能“洗出来”。

这不又过了三年的时间,这张耗时5年才“洗”出来的银河系中心黑洞的照片,终于在北京时间2022年5月12日全球多地天文学家同步公布。

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根据德国天文学家们2008年的研究,银河系中心黑洞“人马座A”距离地球2.6万光年,它的质量约为400万倍太阳质量,与M87中心黑洞一样,它们同属于超大质量黑洞。相信有不少人有疑问:

相对于M87的中心黑洞而言,银心黑洞的距离更近,应该更好拍摄才对,为何反倒合成时间更长呢?

这其实主要是因为银心黑洞要比M87的中心黑洞小很多,同时由于距离更近,周围物质变化的可能性要大很多,几乎几分钟就会发生一次改变,导致拍摄难度大,数据分析和合成难度也大大地加大,科学家开发了专门的工具把它的照片给“洗出来”。

而我们知道的是,一个国际研究团队曾利用复杂的模型来测算银河系的总质量,结果他们的道的结果为8900亿倍。不仅如此,根据现有的研究表明,银河系当中,恒星的数量达到了1500亿-4000亿颗。

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那么问题就来了,银心黑洞的质量只有银河系总质量的0.00045%,为何它能束缚住这么多恒星吗?

要了解这到底有多反常,我们不如先来看看太阳系的情况。

太阳是太阳系的绝对核心,太阳系中其他的天体几乎都绕着太阳转。而太阳的质量占据了太阳系总质量的99.86%。

宇宙中是质量为王,质量越大,引力越大。所以,太阳束缚住太阳系内其他天体可以说在理论上是合情合理的。

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可是,银心黑洞几乎不一样了,它的质量实在太小,根据引力理论,它不足以束缚住银河系中那么多的恒星,银河系早就应该分崩离析才对。

那么这个问题,我们需要分两层来看。首先,银河系中心不只有一个黑洞,还有很多其他的东西,银河系理论上也不是单靠一个银心黑洞束缚的。

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银河系是由银核、银盘和银晕三个部分共同构成的。

银核是银河系中央略为凸起的部分,是一个很亮的球状体,它的直径大概为2万光年,厚大概为1万光年。

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银心黑洞位于银核当中,银核当中还有还有很多高密度的恒星和星际物质,银核的物质密度是要远远高于银河系其他地方的,钱德拉塞卡空间望远镜之前还曾经在银心黑洞周围发现了一个中型黑洞。

不过,即便是我们把整个银核的质量都算上,也依然不足以把整个银河系中的天体都束缚在一个固定的范围。

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不仅如此,早在上世纪30年代,就有科学家发现了这个问题。天文学家兹威基和奥尔特都先后发现类似的问题:按照引力理论,越远离星系中心,恒星的运动速度应该是越慢的,可是它们发现,星系外围的恒星速度并没有明显变慢。

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举个具体的例子,太阳就位于银河系比较外围的地带,按照引力理论来计算,我们可以得到,太阳理论上绕着银河系中心的运动速度应该是160公里/秒,可实际上,经过观测得到的结果却是:240公里/秒。这快出来80公里到底是咋来的?

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我们可以拿链球来做对比,链球运动员开始甩链球时,如果链球的速度越甩越快,那么这个时候,运动员需要拽住链球的力量就得越大,否则链球就会飞出去。

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同样的,科学家在研究银河系时就发现,银河系所能提供的引力,其实没办法拽住运动速度这么快的太阳,当然也包括银河系其他的恒星,那么提供额外引力的到底是什么?

到了1970年,科学家薇拉·鲁宾也发现了类似的情况,并进行了细致的观测,通过观测结果表明,星系中应该存在着一些不可见的物质。

可能很多人看到这里会好奇:咋可能会不可见?

要了解这个问题,我们就得弄清楚,人是如何看到东西的?

首先,需要物体发光或者发射光,然后进入到人眼当中,光子与人眼中的细胞相互作用,通过视觉系统把信号传递给大脑,这时候人才能看到东西。用望远镜等设备观测,原理也是类似的,而这个过程中涉及到了电磁相互作用。那到底是怎么回事呢?

在宇宙当中,存在着四种基本作用,万事万物的相互作用都是这四种最基础的,它们分别是强相互作用,弱相互作用,引力相互作用和电磁相互作用

其中,强相互作用和弱相互作用主要是在原子核层面的,在日常生活中,除了引力之外,剩余的力都属于电磁相互作用。

也就是说,我们肉眼能看到的东西的本质是电磁相互作用,光子与人眼细胞发生作用,以及后续信息的传递都属于这一类,用设备观测也都是依靠电磁相互作用。如果有一种物质不参与电磁相互作用,只参与引力相互作用,那么我们就无法观测它的存在,但却能发现到它的引力作用。

后来,经过科学家的研究就发现,宇宙中真的存在着这样的物质,它也被称为:暗物质。不仅如此,暗物质的总量远比可见的物质总量要多得多,大概是可见物质的6倍。正是暗物质施加了额外的引力,才使得银河系中的这些天体被束缚在了固定的区域范围内,而没有分布离析。

更有意思的是,根据科学家们后续的研究发现,宇宙中最多的其实也不是暗物质,而是暗能量,它们的物质占比远远超过了暗物质和可见物质的总和。

而暗物质和暗能量的研究恰恰是未来人类研究宇宙的关键钥匙,也是科学研究的最前沿阵地。

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关于作者: 钟铭聊科学

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