银河系中心黑洞仅有500万倍太阳质量,如何束缚住上千亿颗恒星?

我们所在的银河系,虽然是可观测宇宙中一个非常普通的星系,但是以人类的视角来看,这个星系的空间尺度还是非常庞大的。据科学家们的估算,银河系的直径大约为20万光年,厚度在2000光年上下,包含着1000-4000亿颗恒星,总质量达到4.2×10^41公斤,约是太阳质量的千亿倍。在银河系的中心,存在着一个大型的星系黑洞-人马座A*,其质量达到太阳的400多万倍,按理说,虽然这个黑洞的质量很大,但是其有效引力范围也只能达到1万光年左右的区域,在距离银心10万光年的银河系外侧,那么多恒星系所受到的黑洞引力已经非常微弱了,那么是什么力量在束缚着这些外侧的恒星,能够乖乖地围绕银心转动呢?

银河系中心黑洞仅有500万倍太阳质量,如何束缚住上千亿颗恒星?

宇宙中的黑洞,是一种由外层物质无限坍缩而成的天体结构,其质量集中到一个奇点之上,在与奇点一定距离(即史瓦西半径)之内的空间,具有超高的曲率,连宇宙中速度最快的光线都无法从中逃逸出去,所有说黑洞是宇宙中最为特殊、引力最强、破坏力最大的天体。

银河系中心黑洞仅有500万倍太阳质量,如何束缚住上千亿颗恒星?

根据科学家们的判断,宇宙中的黑洞共包含3种:一是宇宙大爆炸瞬间产生的原初黑洞,质量和体积都很小,而且寿命很短,在现实宇宙中至今还没有发现过它们的踪迹。

二是大质量恒星在生命末期,完成超新星爆发之后,剩余部分继续坍缩而成的恒星黑洞,这也是宇宙中黑洞数量占比最多的一种类型。

银河系中心黑洞仅有500万倍太阳质量,如何束缚住上千亿颗恒星?

三是星系中央存在的星系黑洞,至于它们的形成,现在主流观点认为是基于恒星黑洞的吞噬和合并产生的,由于星系中央区域恒星分布密度非常之高,而且质量也相对较大、寿命较短,当众多大质量恒星完成主序期使命以后,就会相继形成许多恒星黑洞,一方面吞噬周围的恒星及其他星际物质,另一方面黑洞之间也会在引力作用下发生合并,从而形成质量更大的黑洞。我们人类首次拍摄到的黑洞照片,就是位于室女座中一个巨大椭圆星系(M87中央)的黑洞,其质量惊人,达到了太阳质量的60多亿倍。

银河系中心黑洞仅有500万倍太阳质量,如何束缚住上千亿颗恒星?

银河系中心的人马座A*黑洞质量,与刚才提到的M87星系中央黑洞的质量相比,简直弱得一塌糊涂,然而这并不影响着银河系的整体围绕着星系中央稳定运转。那么,是什么力量在束缚银河系特别是边缘恒星没有被甩出去呢?我想,主要的原因有两个。

银河系中心黑洞仅有500万倍太阳质量,如何束缚住上千亿颗恒星?

第一是共同质心的作用问题。按照牛顿万有引力定律,两个星体之间的引力大小,与它们的质量乘积成正比,与它们间的距离值的平方成反比。如果一个星体围绕另一个星体作规律性的旋转,那么这个星体所受到的万有引力,正好与公转时的向心力一致,也就是说万有引力与我们假设的一个与向心力大小相等、方向相反的离心力相互平衡。

银河系中心黑洞仅有500万倍太阳质量,如何束缚住上千亿颗恒星?

这种运动的状态当然是理想化的,因为万有引力是相互的,那么两个星体之间的旋转运行也是相互的。我们之所以看到太阳系所有的行星都围绕着太阳运行,实质上是行星和太阳本身,都在围绕着它们共同的质心在旋转,只是由于太阳的质量占据了整个太阳系总质量的99.86%,使得太阳系的共同质心就处在太阳附近,所以我们就近似以为所有行星都在围绕着太阳公转。

银河系中心黑洞仅有500万倍太阳质量,如何束缚住上千亿颗恒星?

对于银河系来说,距离银心位置越近的区域,其恒星密度越高,相反边缘区域的恒星密度就非常小了。据科学家们测算,在银核区域(直径1万光年),其恒星密度是其他区域恒星平均密度的500倍,而在银核靠近黑洞的区域,恒星密度更高,可以达到其他区域平均值的上万倍。依据这种恒星分布规律,整个银河系的质心,无疑将存在于银核区域,确切点说就是位于黑洞之内,所以表面上看是银河系整体都在围绕着黑洞运行,实质上是围绕着它们的共同质心运行,而这个共同质心,又恰好落在黑洞内而已。

银河系中心黑洞仅有500万倍太阳质量,如何束缚住上千亿颗恒星?

第二个原因就是暗物质的问题。即使有这个共同的质心,那么对于半径10万光年的银河系外围恒星,其引力效果也是非常微弱的,也就是说不足以支撑外围星系的高速运动状态。同时,结合宇宙微波背景辐射涨落规律的观测,科学家们逐渐意识到在宇宙空间应该存在着一种无法观测到的物质,对宇宙中的现实物质提供了非常强烈的引力势能加持,当现实物质落入这种物质造成的引力势井中,就会产生一定的吸引作用,这种吸引作用与万有引力一起,在一定程度上可以抵消部分由暗能量所带来的空间膨胀效应,同时可以为星系边缘的恒星提供额外的向心力增量,从而维持着星系整体的运行稳定。

银河系中心黑洞仅有500万倍太阳质量,如何束缚住上千亿颗恒星?

通过科学家们的估算,宇宙中可见的常规物质质量占比仅为4.9%左右,而暗物质的总量能够达到常规物质的5倍多,其它绝大部分被另外一种未知的因素所占据,那就是暗能量。正是在万有引力、暗物质和暗能量三者的共同作用下,我们宇宙中的常规物质才得以按照一定的规律,稳定、持久地运行下去。

由 空山清雨 投递,如有侵权请联系,页面网址:https://www.maamx.com/192.html

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

The maamx guide has been replaced with a new version. The contents of the original version have become invalid. Thank you for your visit.