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这里到底有啥样,它怎么束缚住银系的上千亿恒

发布时间:2019-05-02 05:46编辑:www.599588.com浏览(199)

    知道吗?你刚刚错过了一个大日子!

    宇宙之大,并非我们所见而已。看得见看不见的,都将组成一个浩瀚的宇宙。宇宙的组成由大到小,有级别区分,我们所在的地球位于太阳系,太阳系又是银河系之中的一个星系。银河系之上还存在比它还要大的室女座超星系团。银河系在它的眼里,不过是一个小星系。在偌大的太阳系里,其实存在着一个质量占据太阳系99.9%的恒星,那就是太阳。

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    昨天,即2018年6月26日,是世界上第二个有人庆祝的“银河系嘀嗒日”。没错,就是秒针“嘀嘀嗒嗒”的那个嘀嗒。美国旧金山的几位年轻人在2016年9月29日第一次庆祝了“银河系嘀嗒日”,并把这个日子的周期定为633.7天。

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    银河系是一个庞大的结构,其直径至少有10万光年,厚度约2千光年,其中包含的恒星数量可达1000至4000亿颗。这些恒星都有一个共同特点,它们都会环绕银河系中心公转,我们的太阳也是如此。而在银河系的中心,潜伏着一个质量为太阳430万倍的超大质量黑洞——人马座A*。那么,银河系的恒星运动都是受到人马座A*引力的控制吗?

    这个听起来奇奇怪怪的日子,其实有着十分浪漫主义的来源。在计时仪器发明之前,人类要想感知时间的流逝,只能依赖对天体周期性变化的观测。太阳每升起一次,就代表着新的一天又开始了;月亮圆缺一轮,一个月的时间便悄然而逝;而等四季更替完一遍,人就又老了一岁。而现在,我们已经清楚地知道,人类所熟悉的时间单位,其实都源自于日月星辰的周期性运行。

    太阳的质量和体积都比较大,因此它可以有能力去束缚整个太阳系内的八大行星和一些零散的小天体。我们太阳系是一个单星系统,其实还存在着双星系统和三星系统。距离太阳系不远处就有一个恒星系比邻星系统,这是一个三星系统。顾名思义,就是一个范围内存在三个恒星。

    事实并非如此。虽然恒星绕银心旋转,并且银心那里有一个超大质量黑洞,但这两者并没有直接的关系。银河系中的恒星运动并没有受到人马座A*引力的控制,只有极少数的恒星才会受到银心超大质量黑洞的束缚。这是因为人马座A*的质量远小于整个银河系的质量,所以该黑洞的引力主要范围其实很有限。

    然而,很少有人意识到,地球在太阳的带领下,还在做着一项更为宏大的周期性运动——围绕银河系中心旋转。银河系中的所有天体,受到各自引力的共同影响,都在沿着各自的轨道绕银河系中心旋转。这项运动之宏大,不仅在于距离上的尺度,更在于其时间上的尺度——在距离银心大约26000光年的地方,太阳系公转一周大概需要2.25亿个地球年。

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    据估计,银河系中的普通物质总质量至少为太阳的1万亿倍,这相当于人马座A*质量的23万倍。人马座A*的质量占比不到0.0005%,它的引力不可能会束缚住所有恒星的运动。相比之下,太阳的质量占到整个太阳系总质量的99.8%,所以太阳的引力会控制其他所有太阳系天体的运动。

    图片 4太阳以及水星、金星、地球、火星围绕银心运动的模型。图片来源:Rhys Taylor

    地球绕着太阳公转,周期为365天。太阳系围绕着银河系公转,周期达到数亿年。太阳系的边界大概是天王星海王星附近,银河系的边界我们估计了一下,直径都有20万光年。一个星系里,最为让人关注的还是中心地段,因为这里是各种天体比较距离的区域。这可以让人类更容易去探索,往往也让人觉得十分神秘。

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    正是为了让人有机会亲身感受银河系公转这一宏大的周期性天体运动,美国旧金山的软件企业家戴维‧斯奈德(David Sneider)和他的3个同事在2年前发起并首次庆祝了“银河系嘀嗒日”。他们希望更多的人,能够通过这样一个日子,感受到宇宙的宏大和人类的渺小。

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    虽然人马座A*无法主宰银河系中的恒星运动,但它可以主宰少数靠近它的恒星运动。天文学家已经观测到多颗环绕人马座A*运动的恒星,例如,编号为S2的恒星就是其中一颗。

    不过,对于人的一生,甚至整个人类的历史来说,2.25亿年都太过漫长——我们实在是等不到太阳系绕着银心走完一整圈。为此,斯奈德人为选取了一个很小的角度,每当太阳绕着银心转过这样一个角度,就在地球上庆祝一次“银河系嘀嗒日”。

    宇宙的天体看似非常安静,安静得让人觉得是静止的。实际上没有一个天体是静止的,因为万物皆是运动的,静止都是相对的。宇宙天体的运动规律大多呈现圆形状,而且都是根据中心物质的能量大小决定。而且我们肉眼无法看到银河系最亮的地方,而望远镜就可以实现。这个地方距离太阳系2.6万光年,之所以特别耀眼是因为那里聚集了许多恒星。

    S2大约每隔16年环绕人马座A*旋转一周,它与黑洞的最近距离约为120天文单位,对应的最快轨道速度高达7650公里/秒(地球的公转速度仅为30公里/秒)。天文学家对这颗恒星的运动进行了长期跟踪,其实际轨道和一系列引力效应与广义相对论的预言十分吻合。

    图片 7图中显示了太阳(Sun)在银河系中的位置。图片来源:ESA网站

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    在几何单位里,一整圈可以被等分为360度,1度可以被等分为60角分,而1角分又可以被等分为60角秒。斯奈德选取的角度,只是1角秒的百分之一,相当于一整圈的1/129 600 000。太阳系绕着银心转过这么小一个角度,需要633.7天。

    至于为什么银河系中的恒星都会以银心作为公转中心,其原因并非人马座A*的引力作用,而是因为银河系的共同质心正是银心,这是银心的意义所在。

    现在,你可以理解“银河系嘀嗒日”里“嘀嗒”二字的含意了。如果把太阳系绕银心转一整圈的时间比作是1年的话,“银河系嘀嗒日”的周期大概也就是秒针嘀嗒了那么一下。不,实际上比这还要短得多!

    事实上,所有天体的运动都是以共同质心为中心。太阳系中的天体并非真正意义上绕着太阳运动,而是绕着太阳系共同质心运动。只是太阳的质量占比非常大,使得太阳系的共同质心就在太阳附近,所以看起来天体在绕着太阳旋转。

    这才是最适合人类的时间尺度。

    那么,为什么人马座A*又会刚好处在银心呢?并且很多星系的中心都有超大质量黑洞呢?

    图片 9世界上第一个提交望远镜的人,汉斯·李普希。图片来源:Pierre Borel

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    斯奈德还人为选择了1608年10月2日作为“银河系嘀嗒日”的起点,那是荷兰发明家汉斯·李普希(Hans Lippershey)申请望远镜发明专利的日子。这个起点定得有些随性,不过斯奈德觉得挺有意义——正是望远镜的发明,让我们有能力开始深入探索宇宙,发现自己是这个庞大宇宙中小小的一员。所以,你刚刚错过的,已经是第236个“银河系嘀嗒日”了。

    关于星系中心的超大质量黑洞形成机制目前尚不清楚,理论上存在两种可能的机制。一种模型认为,大质量恒星死亡之后会坍缩成黑洞,它们与其他黑洞发生碰撞,并且还会逐渐吸积星际空间中的气体云,最终成长为超大质量黑洞。另一种模型认为,星际空间中的巨大气体云直接没有经历恒星过程,而是直接坍缩成超大质量黑洞的种子,最终演变为超大质量黑洞。

    不过,你也不必遗憾,因为下一个“银河系嘀嗒日”就在2020年3月21日。到了那一天,别忘了仰望星空,感受一下我们的整个太阳系正以每小时超过80万千米的速度绕着银河系的中心飞奔。

    无论是哪种机制,种子黑洞要演变为超大质量黑洞,必须吞噬大量的物质和其他黑洞。由于长时间的动力学效应,最终能够成长为超大质量黑洞的种子黑洞必然会逐渐迁移到星系中心。在星系中心,还能捕获更多的物质,从而使质量进一步增大。有些超大质量黑洞的质量可达太阳的数十亿倍,例如,M87*,有些甚至可达太阳的数百亿倍。

    而在太阳系走完这一整圈之前,人类还要再数129 599 764 个“银河系嘀嗒日”。

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