目前的數據間接證明了,我們所處的銀河系中心確實有一個黑洞,而且是超大質量的黑洞。它處於人馬座A結構中,我們稱這個黑洞為人馬座A*。其質量大約為400多萬個太陽質量,直徑約為4400萬千米。本文將簡略的介紹這個黑洞。
人馬座A*位於銀河系中心,是靠近人馬星座和天蠍星座邊界的一個明亮而緻密的無線電波源(astronomical radio source)。它是一個更大的天文特徵結構的一部分,這部分被稱為人馬座A。人馬座A* 這個位置附近被認為有一個超大質量的黑洞,和現在普遍認為位於大多數螺旋星系和橢圓星系中心的那些黑洞一樣。
在圍繞人馬座A*的軌道上觀測到的S2(恆星)顯示了銀河系中心超大質量天體的存在,並得出有關該天體的數據,從而得到了一種結論,人馬座A*附近存在一個黑洞。
人馬座A *(中心)和最近一次爆炸產生的兩個輕微回波(帶圓圈),圖:NASA
中心黑洞
根據目前的數據,人馬座A*射電發射似乎不是以空穴(洞)為中心,而是由黑洞周圍區域中的亮點產生,靠近事件視界;發射源可能是在吸積盤中,或者是從盤中噴出的相對論性物質射流中。如果人馬座A *的明顯位置正好位於黑洞的中心位置,那麼由於引力透鏡,它可能會被放大到超出其實際的大小。 根據廣義相對論,這將導致觀測大小的最小數據至少為黑洞史瓦西半徑的5.2倍,對於大約400萬個太陽質量的黑洞來說,這相當於最小觀測大小約為52μs(微角秒),這比以往觀察到的37微角秒的大小要大得多。
天文學家相信,人馬座A*的這些觀測為我們提供了很好的證據,再結合經驗判斷,銀河系中心確實有一個超大質量黑洞,距我們太陽系有約26000光年之遠,因為有:
l恆星S2遵循橢圓軌道,周期為15.2年,並且距離中心物體中心的光點(最近距離)為17光時(1.8×10的13次方米)。
l根據恆星S2的運動,該天體的質量可以估計為410萬個太陽質量。(相應的史瓦西半徑為0.08AU/1200萬km/740萬英裡;比太陽半徑大17倍)。
l中心物體的體積可以進一步受到恆星S0-16(也稱為S14)的軌道的約束,該軌道在45 AU內沒有碰撞。
但是現在,黑洞質量和直徑的估計主要受到與物體距離的不確定性的限制。
人馬座A *的質量以兩種不同的方式估算
第一種:德國和美國的兩個研究小組監測了黑洞附近單個恆星的軌道,並利用克卜勒定律推斷出封閉的質量。德國研究小組計算出4.31±38萬個太陽質量的超大質量黑洞,而美國研究小組計算的是3.7±20萬個太陽質量。考慮到這個質量被限制在直徑4400萬千米的球體內,因此這產生的密度比先前的估計值密度要高出十倍。
第二種:最近,在離黑洞大約1秒差距內測量了幾千顆恆星樣本的自行運動,結合統計技術,得出了黑洞質量估計值為3.6+0.2(或3.6-0.4)×106個太陽質量(M) ,加上1秒差距中心分布的質量,總質量可以達到(1±0.5)×106個太陽質量。後者被認為是由恆星和恆星殘餘物組成的。
觀察與描述
由於塵埃和氣體阻擋了在其光源和地球之間很多的光(消光),所以其亮度已經暗於25(等),也就是說天文學家無法在光譜中觀測到人馬座A*。
幾個研究小組試圖使用超長基線幹涉測量法(VLBI)在無線電頻譜中對人馬座A *進行成像。目前最高解析度的測量,在1.3毫米的波長下進行,表明光源的角直徑為37微角秒(1角秒=100萬微角秒)。這是什麼概念?距離26000光年,它的直徑僅僅4400萬公裡。相比之下我們打個比方,地球距離太陽平均為1億5000萬公裡,水星在近日點時距太陽的距離約為4600萬公裡。其觀測難度可見一斑。
人馬座A*的自行運動中,對於赤經的運動,大約每年-2.70mas(毫角秒),對於赤緯運動,大約每年-5.6mas(毫角秒)。
截至2017年4月,已經有了用事件視界望遠鏡直接拍攝的人馬座A*的無線電圖像,但數據仍在處理中,圖像尚未發布。「事件視界」望遠鏡使用幹涉法將從地球上不同地方的廣泛間隔的觀測站拍攝的圖像組合起來,以便獲得更高的圖像解析度。
從人馬座A *中檢測到的異常明亮的X射線耀斑,圖:NASA/CXC/Stanford/I. Zhur
歷史
卡爾·央斯基(Karl Jansky),被認為是射電天文學之父,在1931年8月發現一個射電信號來自銀河系中心的一個位置,朝向人馬座的方向。
1974年2月13日和15日,天文學家布魯斯·巴裡克(Bruce Balick)和羅伯特·布朗(Robert Brown)使用國家射電天文觀測臺的基線幹涉儀發現了人馬座A *。人馬座A *這個名字是布朗在1982年的論文中創造的,因為無線電源是「令人興奮的」,原子的激發狀態用星號表示。
2002年10月16日,由馬克斯普朗克外星物理研究所的賴因哈德·根策爾(Reinhard Genzel)領導的一個國際小組在十年內觀察了人馬座A *附近的S2恆星的運動。根據研究小組的分析,這些數據排除了人馬座A*包含一群暗恆星物體或大量簡併費米子(degenerate fermions)的可能性,從而增加了大質量黑洞的證據的可信度。S2的觀測使用近紅外(NIR)幹涉測量法(在K波段,即2.2μm),因為在這個波段減少了星際消光。使用SiO天文物理邁射將NIR圖像與無線電觀測對準,因為它們可以在NIR和無線電波段中被觀察到。 S2(以及其他附近恆星)的快速運動很容易與視線中較慢的運動恆星相抵,因此可以從圖像中減去這些多餘的圖像。
人馬座A*的VLBI無線電觀測也可以與圖像中心對準,因此可以看到圍繞人馬座A*的S2恆星軌道走向。通過研究S2的克卜勒軌道,他們可以確定人馬座A*的質量大約為2.6±0.2百萬個太陽質量,被限制在半徑不超過17光時(120AU)的體積內;後來對恆星S14的觀測表明,該天體在半徑不大於6.25光時(45 AU)或大約67億公裡的體積內,質量約為410萬個太陽質量。S175在相似的距離內通過。為了作比較,史瓦西半徑(Schwarzschild radius)為0.08 AU。 他們還確定了從地球到銀河系中心(銀河系的自轉中心)的距離(這對於校準天文距離標度很重要),其值約為8.0±0.6×103秒差距。
2004年11月,一個天文學家小組報告發現了一個潛在的中等質量黑洞,稱為GCIRS 13E,其軌道距離人馬座A*有3光年遠。這個1300個太陽質量的黑洞位於七顆星團之內。這一觀察可能會增加超大質量黑洞通過吸積附近較小的黑洞和恆星而增長的觀點的可信度。
在監測人馬座A *周圍的恆星軌道16年後,Gillessen等人估計,該天體的質量為4.31±0.38百萬個太陽質量。 結果於2008年公布,並於2009年在《天體物理學雜誌》上發表。該研究的團隊負責人賴因哈德·根策爾(Reinhard Genzel)表示,該研究已經提供了「現在被認為是超大質量黑洞確實存在的最佳經驗證據」。銀河系中心的恆星軌道顯示出其中心質量濃度為4 百萬個太陽質量,顯然它必須是一個黑洞,這將是毫無疑問的。」
2015年1月5日,美國國家航空航天局報告稱,從人馬座A *觀察到的X射線耀斑比平時亮400倍,這數據破了以往觀測的紀錄。根據天文學家的說法,這種不尋常的事件可能是由於小行星撞入黑洞分裂或者流入到人馬座 A *的氣體中,引起了磁場線的纏繞。
塵埃雲G2穿過銀河系中心的超大質量黑洞。圖:ESO/A. Eckart