超大質量黑洞會導致星系自轉嗎?

2020-12-05 天文在線

提問:如果在星系中心存在一個黑洞,那麼它是否是星系自轉的原因?若真是如此,它的質量會不會越來越大?它的轉速是不是也會越來越快使得星系周期變短直到縮成一點?

回答:儘管黑洞附近的空間與時間都遭到嚴重扭曲,但好消息是它們對遙遠地方的物體還算手下留情。但對於黑洞而言,多遠才算「遙遠」?我們用施瓦茨柴爾德半徑,或是光無法逃逸的引力範圍半徑來描述黑洞的大小。

圖解:位於M87中心的超大質量黑洞,推估質量達太陽的數十億倍。這是人類史上第一張直接對黑洞觀測的天文影像,由事件視界望遠鏡所拍攝,發表於2019年4月10日。

這裡有一個比較方便記憶的規則:對質量為太陽M倍的黑洞,其大小約為3×M千米。因此,一個太陽質量大小黑洞的施瓦茨柴爾德半徑約為3千米。粗略估計,黑洞的廣義相對論效應在其施瓦茨柴爾德半徑的1000倍左右距離便可以基本忽略。對於太陽質量大小的黑洞,在距其3×1000千米=3千米其引力效應基本和太陽(太陽質量恆星)相同。這個距離要比太陽與地球間距離小的多,換句話說,這意味著即使太陽是個黑洞,地球也不會改變運行軌道。

圖解:大麥哲倫雲面前的黑洞(中心)的模擬視圖。請注意引力透鏡效應,從而產生兩個放大,以星雲最高處扭曲的視野。銀河系星盤出現在頂部,扭曲成一個弧形。

將這個模式套用到銀河系中心的超大質量黑洞上,由於其質量為太陽的1000萬倍,從上述公式可以得出它的施瓦茨柴爾德半徑約為3000萬公裡。那麼,它的廣義相對論效應只在1000×3000萬公裡,即銀河系內部300億公裡範圍內不容忽視。現今太陽系寬度約為60億公裡,超級黑洞附近不可忽略廣義相對論效應的區域大到可容納5個太陽系。

圖解:2MASS的紅外線望遠鏡所拍攝到的銀心全貌(2003年)

而銀河系統有2000億顆類似太陽的恆星,各自相距數以光年計的距離,可以說在我們銀河系中需要擔心會受到超大質量黑洞影響的區域其實非常有限。銀河系現今自身質量約為1000億個太陽質量,要比超級質量黑洞的1000萬倍太陽質量大很多,所以,除非你非常接近它(即在廣義相對論作用範圍內),否則一個超大質量黑洞在星系的固定點產生的引力其實微不足道。

圖解:在帕瑞納天文臺的夜空中觀賞到的 銀河系的核心 (雷射為望遠鏡創造出一顆導引星)

由此可見,黑洞並不是星系自轉的源頭:質量太小且離大多數星系太遠使得它們無法做到這一點。我們認為螺旋星系的旋轉源自於角動量守恆定律:即相對較大的物體即使只作稍微轉動,如果是由較小的物體來實現的話那麼其旋轉速度會快很多。

圖解:星系UGC 12158的照片。這是被認為是在外觀上最類似於銀河系的星系。

銀河系中心的黑洞不停在累積物體(以未知速度),這意味著隨著時間的推移它會越變越大。然而,根據上述論證,這並不意味星系的自轉速率會增加。也就是說星系年,或是某顆靠近星系中間的恆星圍繞星系旋轉的周期不會受黑洞存在的影響。

圖解:太陽在銀河系中的位置圖。角度表示銀道坐標系中的經度。

實際上這一切對我們而言相當不幸:如果星系的自轉速率確實因為超大質量黑洞加快,那麼我們可以利用這一增量來尋找黑洞。然而,事實上黑洞在星系中心很難被發現,因為他們的影響十分有限。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. astro-Kristine Spekkens-DK27

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