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银河pȝ中心(j)要比我们预想的更加黑暗——这q不仅仅因ؓ(f)那里是一个超大质量黑z的家?
在距L们超q?5,000光年之外有一个近距宇宙中最秘的地斏V它是我们银河系被尘埃所遮蔽的中?j),那里挤满了(jin)横冲直撞的恒星。在银河pȝ最中央Q天文学家怀疑潜伏着一个质量超q太?00万倍的巨型黑洞。被UCؓ(f)人马座A*的这个超大质量黑z因其对时空l构的扭曲正在撕裂恒星,引发一场恒星骚(d)乱?
cM的超大质量黑z被认ؓ(f)存在于每一个星pȝ中心(j)。通过观测恒星围绕它的转动Q直到最q我们才认?jin)它的存在。它为我们在最极端环境下检验爱因斯坦的q义相对论提供了(jin)理想的场所?
虽然我们银河pȝ中心(j)可以作ؓ(f)研究其他星系中所发生q程的实验室Q但对它的首批观还是给我们带来?jin)许多意想不到的事情。最q的观测昄Q银河系的中?j)还存在着W二个“洞”——一个只包含一些年L星而没有年老恒星的秘I白区?
之前寚w?j)的观测发现了(jin)几十颗q轻的恒星,它们所发出的明亮蓝色辐强得以冲破笼|它们的埃。天文学家认为它们只是更多恒星的冰山一角,大量更年老恒星所发出的微弱光U被q轻恒星的所掩盖?jin)?
然而,当三个天文学家小l独立地把他们手中能够穿透银?j)周围尘埃的U外望远镜对准那里的时候,q一切都改变?sh)(jin)。当他们扫视银河pȝ时候,他们看到?jin)数千颗q老的恒星。但是,当他们观非帔Rq银?j)的地方Ӟ恒星的数量便出现了(jin)锐减,q且发现?jin)一个直?光年的区域,其中的恒星极为匮乏?
[囄说明]Q钱hX线天文台拍摄的银心(j)区域Qh马A*׃于图中央的白色光斑中。版权:(x)NASA/CXC/UMass/D. Wang{h?
q个“洞”的故事
q是一个极大的意外Q因为它q背?jin)我们对于在银?j)处该发生什么的设想。h马A*周围的引力场被认为强到以能束缚(x)住它附近的恒星超q数十亿q。那Z么在银心(j)处却没有较ؓ(f)q老的恒星呢?
最单而直接的解释是,即是最新的U外望远镜也q没有灵敏到能检出q些微弱的光Uѝ但q有一个更令h兴奋的可能性,那就是银?j)周围其实被许多难以看到的致密天体所占据Q例如超新星爆炸后留下的中子星和恒星质量黑洞——它们几乎不发出辐射。如果这U说法是正确的,它表明在银心(j)形成的绝大部分恒星都是能以超新星的Ş式结束自q命的大质量恒星。这该区域与我们所观测到的所有其他地斚w截然不同?
但是Q这个解释也存在问题。其中主要的一个是Q这些大质量恒星不会(x)独自形成、长大,量质量恒星也应该在那里Ş成。在q些质量恒星生命的头Q它们会(x)演化成应该很Ҏ(gu)p被看到的U巨星。那么,Z么我们还没有看到它们呢?一U可能是Q恒星质量黑z吃掉了(jin)所有这些红巨星。但q其实很隑֥效,因ؓ(f)它所需要的黑洞质量比银?j)最内部已知存在?00万个太阳质量q要高?
一个更奇特的解释是Q在q去的某个时_(d)银河pM另一个星pd生了(jin)q合Q外来的大质量黑洞吞噬?jin)一些银河系的恒星。此外h马A*本n也可以造成其周围恒星的~失。Q何进入超大质量黑z周围约5光分Q相当于9,000万千cI(j)距离内的恒星都会(x)被撕裂,由此可能?x)导致恒星的消失?
[囄说明]Q对银心(j)附近恒星的观。实?j)圆圈?f)观测到的恒星位置Q虚U是p结果推出的轨道。可以看到迄今只有S2完成?jin)绕银?j)转动一周的q动。版权:(x)Keck/UCLA Galactic Center Group?
盯上q个“洞?
用h马A*来解释依然存在破l,于是有h提出一个稍有不同的Ҏ(gu)。经计算发现Q围lh马A*的恒星轨道随着旉?x)变得越来越ѝ越来越扁。最l,q些恒星?x)由于过于靠q中央黑z而被吞噬。不q,q个理论也有问题。由于恒星在不断形成Qؓ(f)?jin)创Z个无星区Q你不但要把恒星送入大质量黑洞的口中,q要L其他恒星q入q一区域。但是,很难惛_有什么办法能L恒星q入银心(j)?
因此Q尽已l有?jin)很多的x(chng)Q但q个谜依旧。目前的天文观测l果也不以真正地确定这些解释中哪一个最有可能,或者完全排除掉某一个。现在只能假设,那里有个“洞”,但我们不知晓切的原因。ؓ(f)?jin)找到答案,我们不得不更靠q银河系中心(j)的这个怪物?
q运的是Q许多技术正在天文学家能做到这一炏V这些技术同时还可以帮助我们实现一个更深刻的愿望——对爱因斯坦的广义相对论q行(g)验。广义相对论在行星、恒星和星系附近的媄(jing)响已l被探测q,每一ơ它都以优异的成l通过?jin)测试。至今广义相对论q没有被(g)验过的地方就是黑z的极端引力场,那里的空间和旉都遭C(jin)极强的扭曌Ӏ通过观测物质I竟是如何落入黑z的Q天文学家希望能判断黑洞是否真的如广义相对论所描绘的那栗?
到目前ؓ(f)止最有前景的技术是甚长基线q涉量QVLBIQ,它综合了(jin)世界各地电(sh)望远镜所接收到的信号来模拟出一个犹如地球一样大的无Uѝ这个虚拟天U可以分辨出天体的微细节,但即便如此它q没有强大到能识别出q个大质量黑洞最显著的特征:(x)它的视界。视界是下落的物质一M复返的地方,它直径约1,500万千cI相当于地球到太阳的距ȝ十分之一——这在天文上Ҏ(gu)微不道。即使是q今最好的人马座A*的图像,仍然模糊?倍?
[囄说明]Q根据黑z无毛定理,用质量、自转和?sh)量卛_描述一个黑z的所有特性。不q在现实宇宙中,黑洞很容易就能通过吸积异性电(sh)h呈电(sh)中性,因此q三个量中就只剩下了(jin)质量和自转。版权:(x)NASA?
不过Q有一个办法可以提高VLBI的分辨率Q那是观测比现今所用厘cx(chng)L波长更短的LDc(din)通过?.3毫米甚至0.87毫米的L长上来观,q项技术应该最l能够看到视界附q正在发生的事情?
即便如此Q事情也不会(x)q么很容易。我们试图观的电(sh)波是q旋着掉入大质量黑洞的电(sh)L体所发射出的。ؓ(f)?jin)在q个黑洞附近(g)验广义相对论Q我们不得不首先要用计算机来模拟螺旋q动的气体,预测它的电(sh)辐射Qƈ与观结果相比较。VLBI是一U很有前途的技术,但它不可能给我们提供一个干净的信受这是它gh的地斏V?
其他天文学家则发C(jin)一条更q净地探h马A*的途径Q观围l它公{的单颗恒星。他们已l观了(jin)距离银心(j)100光天范围?0颗极为明亮的恒星的轨道?
在这其中有一颗恒星极为突出,它被UCؓ(f)S2Q质量达太阳?0倍。S2是唯一一颗已l被观测到围l银?j)公转一周的恒星Q完成这一旅程它花?5q的旉。由此,天文学家计算出银河系中央大质量黑洞的质量是太阳?30万倍,略高?sh)原先的估计?
请不要忘讎ͼ直至现在q仍是银河系中心(j)存在一个超大质量黑z的唯一间接证据。由于它的引力媄(jing)响着附近恒星的运动,因此我们知道那里有某个大质量天体Q而最有可能是一个黑z。但我们同样也需要直接的证据来确定。现在的希望是,像S2q样的恒星不仅将为此提供证据Q而且q能让我们来(g)验最受我们青睐的黑洞理论?
其中之一是黑洞无毛定理。它认ؓ(f)黑洞其实非常单,用它的质量以?qing)自转的速度p以对其进行充分地描述。有理论物理学家Q通过研究银心(j)大质量黑洞附近恒星的轨道,可以来(g)验这个定理,q而验证广义相对论。一个方法是观测一颗恒星围l银?j)公转许多圈。爱因斯坦的理论预言Q这颗恒星轨道中最靠近银心(j)的那一点会(x)随着旉逐渐变化。如果无毛定理正,那么q个“进动”的速率只取决于黑z的质量和自转速度Q而和其他的无兟뀂如果能q踪两颗恒星的轨道那更妙了(jin)。这样就你可以用这两颗恒星的轨道关pL消掉黑洞的质量,由此q动只依赖于黑z的自{。如果事实证明进动其实依赖更复杂的东西,那么无毛定理将被证明是错误的。如果真是这L(fng)话,那么q义相对Z同栯证明是错误的。因此,其科学回报是很高的?
[囄说明]Q欧z南方天文台4架甚大望q镜l成的干涉A综合来?架望q镜的光U,q踪物质掉入黑洞前的最后一刅R版权:(x)G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO?
另一U检验相对论的方法是使用脉冲星。这些超新星爆炸遗留下的高密度天体?x)以极高的速度自{Q每转一圈其犹如灯塔一般的电(sh)波束׃(x)扫过天空。这使得它们成ؓ(f)?jin)极其精准的守时工具。如果在银心(j)处存在脉冲星Q那么我们也许能够检验另一个相对论效应——引力时间膨胀Q即在大质量天体周围的弯曲时IZ旉逝得较慢。探到q个效应Q我们就有了(jin)存在一个超大质量黑z的证据?
新的目标
不幸的是Q脉冲星本n极ؓ(f)暗弱Q这使它们难以在多尘的银?j)处被发现。但天文学家正开始尝试探银河系中所有的脉冲星,很有希望?x)在银?j)扑ֈ它们?
q义相对论目前还没有受到威胁。到目前为止QS2是唯一一颗轨道在人马座A*附近1光天之内的恒星。要真正探测q个大质量黑洞周围的时I,我们q需要观更多靠q银?j)的恒星?
为此天文学家目前正在升由夏威夷两架10c_克望q镜所l成的红外干涉A。与此同Ӟ他们q正在徏造一CA器,它能够综合来自欧z南方天文台四架甚大望远镜所攉的近U外辐射Q进而以前所未有的分辨率量q些暗弱的天体。他们希望由此能观测C于几倍于大质量黑洞视界直径范围内运动的恒星。这CA器预计会(x)?013q投入用?
数十亿年来在银河pȝ中央一直隐藏着它最qU密。不q,也许要不?jin)几q我们最l就能直击这个超大质量的黑洞?