銀心的黑洞有多大？又如何準確測算？還是VLBI射電鏡立了首功

2020-10-18 星辰大海種花家

人類賴以生存的地球，位於銀河系獵戶座旋臂邊緣的太陽系中，從人類仰望星空開始一直都在探索，特別是我們所在的銀河系，更是付出了難以想像的努力，當然我們現在已經知道，銀河系的中心是一個黑洞，但它是如何發現的，它的質量又是根據什麼原理計算出來的，請跟隨本文來作個簡單的了解！

一、銀河系認知簡史

曾經我們以為太陽就是銀河系的中心，這和當年的地心說如出一轍，因為地球的自轉以及觀測設備的精度所限，我們觀測到銀河系的中心是太陽系也屬正常，但隨著觀測數據的積累、技術的提升，漸漸發現銀河系是一個龐大的星系，直徑高達10萬光年（最新觀測認為銀河系直徑達20萬光年），是一個棒旋星系。

整個銀河系包括了1000-4000億顆恆星，太陽系則位於獵戶座懸臂的邊緣，距離銀心約為2.6萬光年！

銀河系在棒旋星系中屬於SBb型，即有多條旋臂的棒旋星系，而銀心則由於銀盤面上塵埃的遮擋，影影綽綽一直都看不清楚。

二、黑洞是怎麼發現的，銀心黑洞又是怎麼發現的？

黑洞曾經是相對論中預言的天體，當然在今年4月10日晚公布的M87*黑洞已經讓各位親眼目睹到5500萬光年外M87星系中心的黑洞模樣，但第一個黑洞是怎麼發現的，銀心黑洞又是怎麼發現的，也許可能並不清楚，我們簡單來了解下。

1、天鵝座X-1黑洞

這是位於天鵝座方向一個雙星系統，是最早被認為是黑洞的系統之一，它在1965年被發現，是一個超強X射線源！它的發現要得益於附近的一顆藍超巨星，這是一顆質量約為太陽20-40被，直徑超過2500萬千米，光譜為B0，星等為8.9等的變星！

而在它的附近有一個緻密天體，一直通過它的洛希瓣在吞噬這顆藍超巨星的氣體，天文學家也是其吞噬物質時候發出的超強X射線發發現這個緻密天體，根據受到的擾動，天文學家計算出這個看不見的緻密天體的質量為太陽的8.7倍，奧本海默極限以上的天體都將坍縮成黑洞，因此這就是天鵝座X-1黑洞的來歷。

上圖是天鵝座X-1的射電成像圖，左側是一團稠密星際塵埃雲，左側X-1黑洞的強大噴流已經在這團塵埃雲中吹出了一個「氣泡」！

2、銀心黑洞

儘管科學家一直都猜測銀河系中心是一個巨大的黑洞，因為只有黑洞的質量才能HOLD住整個銀河系超過數千億個小兄弟，但懷疑歸懷疑，科學是講究證據的！當然隨著X射線望遠鏡技術的成熟，銀心黑洞Sgr A*黑洞也逐漸露出猙獰的面目！

與銀道面附近的天鵝座不一樣，銀心的塵埃帶更為厚實，在很多銀心區域的星野照片中，我們就能發現銀心區域那些斑斑駁駁的的畫面，如下圖所示：

各位可不要認為銀心就是這樣哦，只是因為銀盤慢上環繞銀心的塵埃帶，太陽系位置望向銀河系中心，中間相隔2.6萬光年的星際塵埃，那個密不透光，即使密集的銀心光線也無法穿透！

但X射線天文的出現拯救了天文學家，它超強的穿透力得以穿過高達2.6萬光年的銀盤面塵埃帶，被在近地軌道上運行的X射線觀測衛星發現！

上圖是銀心黑洞Sgr A*在2013年一次X射線耀斑爆發前後的動圖對比，我們可以根據其X射線爆發的強度推斷出銀心黑洞一直在吞噬物質 ！

三、銀心黑洞的質量是根據什麼原理測算的？

看不見的銀心我們很難計算它的質量，因為它沒有一顆供它吞噬的巨大伴星，因此從引力擾動的基礎上基本就已經把路子堵死了！但比較幸運的是天文學家觀測到有數十顆恆星在圍繞銀心這個看不見的黑洞公轉！

上圖是ESO去除了銀心塵埃幹擾後恆星圍繞銀心公轉的示意圖，理論上我們可以根據任意一顆恆星，通過萬有引力定律即可計算出銀心的質量，公式如下：

理論上我們只要獲知幾個參數即可：

1、恆星和黑洞之間的距離

2、恆星的質量

3、恆星的公轉軌道與速度

通過公轉軌道與速度測算出恆星的「離心力」=相互之間的引力F，再從距離推算出黑洞的質量，但恆星在核球處同樣受到塵埃帶的影響，因此準確測得相關參數這非常關鍵！

對銀心附近恆星的觀測。實心圓圈為已經觀測到的恆星位置，虛線則由觀測結果推算出的恆星軌道。我們可以看到迄今位置只有S2完成了繞銀心轉動一周的運動！

請注意上圖淡藍色的軌跡，從1996-2016這21年中的15年內就已經完成了一次閉合公轉，VLBI(甚長基線幹涉測量技術)在1.3毫米至0.87毫米的波長上對銀心附近20顆亮星進行了高解析度的觀測，其中這顆閉合公轉的恆星S2對我們計算銀心質量提供了極大的幫助，因為S2是唯一一顆在我們觀測周期之內完成公轉的恆星！

天文學家根據取得觀測數據，計算出銀河系中心黑洞Sgr A*黑洞的質量為太陽的430萬倍，比早先觀測計算的400萬倍稍高一些！

四、VLBI（甚長基線幹涉測量）技術

上文說到了VLBI技術，簡單的說就是把幾個小望遠鏡甚至是陣列用VLBI技術連起來，達到一個超大口徑望遠鏡的觀測效果，儘管它用的是在解析度更低的電磁波段，但它使用更容易製造大口徑與同步觀測的射電望遠鏡，對目標進行超大口徑的精細化觀測！值得一提的是今年4月10日對M87*黑洞的成像用的就是VLBI技術！

上圖是對銀心觀測時的VLBI陣列，其實銀心黑洞的「曝光」早已結束，只不過M87*黑洞先處理了而已，對於Sgr A*黑洞的實體圖像是指日可待的！

相關焦點

  • 銀心黑洞有多大?又如何準確測算?還是VLBI射電鏡立了首功!
    人類賴以生存的地球，位於銀河系獵戶座旋臂邊緣的太陽系中，從人類仰望星空開始一直都在探索，特別是我們所在的銀河系，更是付出了難以想像的努力，當然我們現在已經知道，銀河系的中心是一個黑洞，但它是如何發現的，它的質量又是根據什麼原理計算出來的，請跟隨本文來作個簡單的了解！
  • 銀河系中心黑洞有多大?
    也只有黑洞這種前途無量的天體才能HOLD住銀河係數千億小兄弟，但很多朋友可能會覺得比較詫異，像黑洞這樣的天體是如何觀測到的呢？又是如何去計算其大小呢？核心區方向隱隱綽綽的塵埃帶，銀心核球方向的光線難以穿透厚厚的銀盤塵埃帶，不過黑洞的吸積盤所發車的高能X射線給我們幫了大忙！銀心方向Sgr A*的物質吞噬後的X射線耀斑爆發.....這得以讓科學家可以根據其吸積盤耀斑爆發的能級計算出銀心黑洞的質量！
  • 銀河系中心，是一個光都無法逃逸的黑洞，銀心為什麼還如此明亮？
    銀河系的中心話說是一個黑洞，但是銀心（黑洞）為什麼會發光呢？這是一個比較有趣的話題，在大家的認知中黑洞是不會發光的！而銀心黑洞也沒有任何懸疑，因此銀心黑洞不會發光就成了理論推導的唯一準確答案！但事實上我們從很多星野照片，或者展現銀河的效果圖中發現，銀心是整張銀河系照片中最明亮的那一部分，這不是和我們的認識相悖嗎？
  • 奠定了首張黑洞照片的關鍵性技術
    這是因為，雖然射電望遠鏡能「看到」光學望遠鏡無法看到的電磁輻射，從而進行遠距離和異常天體的觀測，但如果要達到足夠清晰的解析度，就得把望遠鏡的天線做成幾百公裡，甚至地球那麼大。所以這次拍到首張黑洞照片是使用VLBI技術虛擬了一個地球直徑大小的望遠鏡首張黑洞照片
  • 太陽系公轉速度被推翻,正以更快速度衝入銀心,多久會墜入黑洞?
    ，射電天文學開始發展，結果觀測氫波段發現了銀河系的旋臂！，它可以將射電望遠鏡的口徑成千上萬倍的擴展，使得測量和觀測更精準精細！結果測得地球大約距離銀心黑洞的精確距離為2.58萬光年，比1985年國際天文聯合會給出的官方建議距離2.77萬光年近了將約1900光年！
  • 太陽系公轉速度被推翻，正以更快速度衝入銀心，多久會墜入黑洞？
    ，射電天文學開始發展，結果觀測氫波段發現了銀河系的旋臂！，它可以將射電望遠鏡的口徑成千上萬倍的擴展，使得測量和觀測更精準精細！結果測得地球大約距離銀心黑洞的精確距離為2.58萬光年，比1985年國際天文聯合會給出的官方建議距離2.77萬光年近了將約1900光年！
  • 是誰吞噬了銀心的恆星?
    最終，這些恆星會由於過於靠近中央黑洞而被吞噬。不過，這個理論也有問題。由於恆星在不斷形成，為了創建一個無星區，你不但要把恆星送入超大質量黑洞的口中，還要阻止其他恆星進入這一區域。但是，很難想出有什麼辦法能阻擋恆星進入銀心。 因此，儘管已經有了很多的想法，但這個謎依舊。目前的天文觀測結果也不足以真正地確定這些解釋中哪一個最有可能，或者完全排除掉某一個。
  • 是誰吞噬了銀心的恆星？
    最終，這些恆星會由於過於靠近中央黑洞而被吞噬。不過，這個理論也有問題。由於恆星在不斷形成，為了創建一個無星區，你不但要把恆星送入超大質量黑洞的口中，還要阻止其他恆星進入這一區域。但是，很難想出有什麼辦法能阻擋恆星進入銀心。因此，儘管已經有了很多的想法，但這個謎依舊。
  • 科學家終於看清銀心黑洞真實面貌,地球原來一直被它「特別關照」
    黑洞在宇宙中到底發揮著怎樣的作用，科學家還不是很清楚。一些小的黑洞，因其吸光科學家是無從知道它們的存在的。因此，要想了解黑洞，科學家還是將希望寄托在超大質量黑洞身上。於是，科學家們很自然地想到了我們銀河系中心的人馬座A*。它是目前人類所知的離我們最近的一個超大質量黑洞。因此也被科學家們認為是研究黑洞物理屬性的最佳目標。
  • 銀河系中心真的在人馬座嗎,夏秋如何觀測到銀心?
    銀河系的中心，就是銀河系的星系核，也叫銀心，就是銀河系的自轉軸與銀道面的交點。人類通過長期的觀測和歷史知識的積累發現，在銀河系的中心凸出部分，呈很亮的球狀，直徑約為兩萬光年，厚1萬光年，這個區域由高密度的恆星組成。射電望遠鏡發現，銀河系中心處有一個很強的射電源，活動十分劇烈，它被命名為人馬座A*。
  • 銀河系中心真的在人馬座嗎，夏秋如何觀測到銀心？
    射電望遠鏡發現，銀河系中心處有一個很強的射電源，活動十分劇烈，它被命名為人馬座A*。但如果中心核的半徑為1.95696光年，那麼它就算不是一個黑洞，也該是一個質量很大的物質團，其中包含著相當於200萬個太陽質量的物質。德國科學家在2008年最終證實，與地球相距2.6萬光年的「人馬座A」確實是一個質量超大的黑洞（質量約為太陽的400萬倍）。
  • 銀河系中心黑洞,「真實面貌」有幾何?
    「黑洞」——這可能是很多小夥伴脫口而出的答案。當然，「黑洞」這個答案不能算錯，但顯然也不是完整的回答。今天，我們通過銀心「真實面貌」這一話題，分享銀心黑洞的了解進展。銀心黑洞為哪般？無論是事件視界範圍，還是對周邊物質和星體的吸引，甚至控制整個星系，都有較為明顯的影響。科學家們普遍認為，大型星系的中心都至少有一顆超大質量黑洞，銀河系也一樣。銀河系中心超大質量黑洞，其引力範圍管轄著周邊10億光年的宇宙空間，牽引著4,000億顆恆星系圍繞其旋轉。太陽系，也是這4,000億顆恆星系的成員之一。
  • 銀河系有多大它的中心在哪？銀河系之謎揭秘
    銀河系有多大呢，下面探秘志為你揭開這位身穿蒙紗的銀河美女之謎，找出銀河系中心在哪裡？射電望遠鏡發現，銀河系中心處有一個很強的射電源，它被命名為人馬座A。這個射電源的中心特別小，最大不大於木星繞太陽公轉的軌道。有人認為，如果銀河系中心核的半徑不大於0.1秒差距，即不大於0.3光年的話，就意味著這裡很可能是一個大質量的緻密天體的中心，很可能是一個黑洞。
  • 既然銀河系中心有個大黑洞,為什麼銀心還那麼亮?
    此後，對銀心中的一些特殊恆星運動的長期跟蹤研究表明，那裡有一個質量超過太陽400萬倍的超大質量黑洞，它被稱為人馬座A*。據估計，這個黑洞的視界半徑大約為1300萬公裡。既然銀心中存在一個大型黑洞，為什麼那裡卻非常明亮？
  • 銀河系的銀盤是棒旋兩端的噴射流與銀心的旋轉形成的嗎?
    銀盤是銀河系的主要組成部分，在銀河系中可探測到的物質中，有九成都在銀盤範圍以內。銀盤外形如薄透鏡，以軸對稱形式分布於銀心周圍，其中心厚度約1萬光年，不過這是微微凸起的核球的厚度，銀盤本身的厚度只有2000光年，直徑近10萬光年，可見總體上說銀盤非常薄。由於星際消光作用，光學觀測無法得出銀盤的總體面貌。
  • 430萬倍太陽質量,直徑4400萬公裡,2.6萬光年外黑洞終於現身!
    黑洞曾經廣義相對論中預言的天體，但現在黑洞已經赤果果的現身在宇宙中，其質量之巨大，吞噬過程之慘烈，規模之宏大，無一不讓科學家目瞪口呆，而在太陽系賴以寄生的銀河系中心，就有這樣一個黑洞！吞噬一切的銀心黑洞，它是如何被發現的？
  • 太陽系繞銀心公轉是否有「四季」之分?轉到一定位置會有危險嗎?
    地球上有四季之分，這是因為地球的自轉軸與公轉的黃道面並不垂直，存在一定的夾角，所以當地球公轉到一定位置時，太陽光在地球上的直射位置就會發生變化，導致了北半球是夏季時，南半球就是冬季，因此出現了四季變化，這樣的四季完整變化在一年中就會發生一次。
  • 被稱為」怪獸「般的黑洞「人馬座A」
    這次觀測為揭示黑洞周圍的嚴酷環境和圍繞黑洞轉的恆星類型提供了線索科學家相信，這顆恆星的氫包層在很久以前就被黑洞掀走，它在被撕碎之前已到生命末期。在消耗掉自身的大部分氫燃料後，它很可能已膨脹為一顆紅巨星。它此前有可能一直在高度偏離正圓的軌道上環繞黑洞，其中一次因太靠近黑洞而被剝離掉膨脹的大氣層。恆星殘餘繼續在黑洞周圍的行程，直到最終葬身黑洞。
  • 銀河系的中心是「銀心」,那麼這個銀心都由哪些物質構成?
    」，所以銀心在概念上指的是位置，而並非具體的物質，現代天文觀測認為，銀河系中心是一顆超大質量黑洞，被稱為人馬座A*，在黑洞周圍有大量的恆星圍繞其運轉。比如太陽附近的空間密度，大約每立方光年只有0.004顆恆星，而銀心區域最密集的地方可以達到每立方光年上萬顆恆星。銀心的組成主要是年齡在100億年以上的老年恆星，而在銀心的中心，也就是銀河最核心的區域，目前觀測顯示這裡存在一個質量在數百萬太陽質量大小的黑洞，這個巨型黑洞是銀河系最核心的天體。
  • 銀河系中心黑洞僅有500萬倍太陽質量,如何束縛住上千億顆恆星?
    在銀河系的中心，存在著一個大型的星系黑洞－人馬座A*，其質量達到太陽的400多萬倍，按理說，雖然這個黑洞的質量很大，但是其有效引力範圍也只能達到1萬光年左右的區域，在距離銀心10萬光年的銀河系外側，那麼多恆星系所受到的黑洞引力已經非常微弱了，那麼是什麼力量在束縛著這些外側的恆星，能夠乖乖地圍繞銀心轉動呢？