射手座A*

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May 17, 2022

人马座 A*(发音为“Sagittarius A-Star”,缩写为 Sgr A*)是位于银河系中心的一个明亮且非常紧凑的天文射电源。它位于人马座和天蝎座的边界附近,黄道以南约 5.6°,在视觉上靠近蝴蝶星团 (M6) 和绍拉。人马座 A* 是一个超大质量黑洞的位置,类似于大多数(如果不是全部)螺旋和椭圆星系中心的大质量物体。对围绕人马座 A* 运行的几颗恒星,尤其是恒星 S2 的观测,已被用于确定该物体的质量和半径上限。根据质量和越来越精确的半径限制,天文学家得出结论,人马座 A* 是银河系的中央超大质量黑洞。它的当前质量值略高于 400 万个太阳质量。 Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 因发现人马座 A* 是一个超大质量致密天体而获得 2020 年诺贝尔物理学奖,黑洞是目前唯一已知的解释。

观察和描述

天文学家一直无法在光谱中观察到人马座 A*,因为源与地球之间的尘埃和气体造成了 25 个数量级的消光效应。几组研究人员尝试使用超长基线干涉测量法 (VLBI) 对无线电频谱中的人马座 A* 成像。当前最高分辨率(约 30 μas)测量在 1.3 mm 的波长下进行,表明光源的整体角尺寸为 50 μas。在 26,000 光年的距离上,这产生了 6000 万公里的直径。相比之下,地球距离太阳 1.5 亿公里,水星在近日点距离太阳 4600 万公里。人马座 A* 的自行为赤经约为每年 -2.70 质量,赤经约为每年 -5.6 质量。 2017 年,事件视界望远镜拍摄了人马座 A* 和 M87* 的直接无线电图像。事件视界望远镜使用干涉测量法来组合从地球上不同地方间隔很远的天文台拍摄的图像,以获得更高的图像分辨率。希望这些测量能比以前更严格地检验爱因斯坦的相对论。如果发现相对论与观测之间存在差异,科学家们可能已经确定了该理论崩溃的物理环境。 2019 年,使用安装在 SOFIA 飞机上的高分辨率机载宽带摄像机 (HAWC+) 进行的测量显示,磁场导致周围的气体和尘埃环,其温度范围从 -280 °F (-173.3 °C) 到 17,500 °F (9,700 °C),流入人马座 A* 周围的轨道,使黑洞排放保持在低水平。

历史

Karl Jansky 被认为是射电天文学之父,他于 1931 年 8 月发现无线电信号来自人马座方向的一个位置,朝向银河系的中心。射电源后来被称为人马座 A。他的观测并没有像我们现在所知的银河中心那样向南延伸。 Jack Piddington 和 Harry Minnett 使用悉尼 Potts Hill Reservoir 的 CSIRO 射电望远镜观察发现了一个离散而明亮的“人马座-天蝎座”射电源,在用多佛高地的 80 英尺 CSIRO 射电望远镜进一步观察后发现一封写给可能是银河中心的大自然的信。后来的观察表明,人马座A实际上由几个重叠的子组件组成;天文学家布鲁斯·巴利克 (Bruce Balick) 和罗伯特·布朗 (Robert Brown) 于 1974 年 2 月 13 日至 15 日使用国家射电天文台的基线干涉仪发现了一个明亮且非常紧凑的组件 Sgr A*。人马座 A* 这个名字是布朗在 1982 年的一篇论文中创造的,因为无线电源是“令人兴奋的”,原子的激发态用星号表示。自 1980 年代以来,很明显人马座 A* 的中心成分很可能是一个黑洞。 1994 年,伯克利的一个由诺贝尔奖获得者 Charles H. Townes 和未来的诺贝尔奖获得者 Reinhard Genzel 组成的团队进行的红外和亚毫米光谱研究表明,人马座 A* 的质量非常集中,大约为 300 万个太阳。2002 年 10 月 16 日,由马克斯普朗克外星物理研究所 Reinhard Genzel 领导的一个国际团队报告了对人马座 A* 附近恒星 S2 运动的观测长达十年的时间。根据研究小组的分析,数据排除了人马座 A* 包含一组暗星体或大量退化费米子的可能性,从而加强了存在大质量黑洞的证据。 S2 的观测使用了近红外 (NIR) 干涉测量法(在 K 波段,即 2.2 微米),因为该波段的星际消光减少。 SiO 脉泽用于将 NIR 图像与无线电观测对齐,因为它们可以在 NIR 和无线电波段中观察到。 S2(和其他附近恒星)的快速运动很容易在视线中与较慢移动的恒星形成对比,因此可以从图像中减去这些。人马座A*的VLBI射电观测也可以与近红外图像中心对齐,因此发现S2椭圆轨道的焦点与人马座A*的位置重合。通过检查 S2 的开普勒轨道,他们确定人马座 A* 的质量为 4.1±060 万个太阳质量,被限制在半径不超过 17 光小时(120 天文单位)的体积内。后来对恒星 S14 的观测表明,在半径不大于 6.25 光时(45 天文单位)或约 67 亿公里的体积内,该物体的质量约为 410 万个太阳质量。 S175 在相似的距离内通过。相比之下,史瓦西半径为 0.08 AU。他们还确定了从地球到银河系中心(银河系的旋转中心)的距离,这对于校准天文距离尺度很重要,为 (8.0±0.6)×103 秒差距。 2004 年 11 月,一组天文学家报告发现了一个潜在的中等质量黑洞,称为 GCIRS 13E,绕人马座 A* 3 光年运行。这个 1,300 个太阳质量的黑洞位于一个由七颗恒星组成的星团内。这一观察结果可能会支持超大质量黑洞通过吸收附近较小的黑洞和恒星而生长的观点。在监测了人马座 A* 周围的恒星轨道 16 年之后,Gillessen 等人。估计该物体的质量为 4.31±038 万个太阳质量。该结果于 2008 年公布,并于 2009 年发表在《天体物理学杂志》上。该研究团队负责人 Reinhard Genzel 表示,该研究已经实现了“现在被认为是超大质量黑洞确实存在的最佳经验证据。银河系中心的恒星轨道表明,400 万个太阳质量的中心质量集中点一定是一个黑洞,毫无疑问。”2015 年 1 月 5 日,美国宇航局报告说,观测到比平时亮 400 倍的 X 射线耀斑,一个破纪录的人,来自人马座 A*。根据天文学家的说法,这一不寻常的事件可能是由落入黑洞的小行星分裂或流入人马座 A* 的气体中的磁场线纠缠引起的。 2019 年 5 月 13 日,使用凯克天文台的天文学家目睹了人马座 A* 突然变亮,比平时亮了 75 倍,这表明超大质量黑洞可能遇到了另一个物体。银河系中心的恒星轨道表明,400 万个太阳质量的中心质量集中点一定是一个黑洞,毫无疑问。”2015 年 1 月 5 日,美国宇航局报告说,观测到比平时亮 400 倍的 X 射线耀斑,一个破纪录的人,来自人马座 A*。根据天文学家的说法,这一不寻常的事件可能是由落入黑洞的小行星分裂或流入人马座 A* 的气体中的磁场线纠缠引起的。 2019 年 5 月 13 日,使用凯克天文台的天文学家目睹了人马座 A* 突然变亮,比平时亮了 75 倍,这表明超大质量黑洞可能遇到了另一个物体。银河系中心的恒星轨道表明,400 万个太阳质量的中心质量集中点一定是一个黑洞,毫无疑问。”2015 年 1 月 5 日,美国宇航局报告说,观测到比平时亮 400 倍的 X 射线耀斑,一个破纪录的人,来自人马座 A*。根据天文学家的说法,这一不寻常的事件可能是由落入黑洞的小行星分裂或流入人马座 A* 的气体中的磁场线纠缠引起的。 2019 年 5 月 13 日,使用凯克天文台的天文学家目睹了人马座 A* 突然变亮,比平时亮了 75 倍,这表明超大质量黑洞可能遇到了另一个物体。毫无疑问。” 2015 年 1 月 5 日,美国宇航局报告观察到来自人马座 A* 的 X 射线耀斑比平常亮 400 倍,这是一个破纪录的事件。这一不寻常的事件可能是由一颗小行星分裂引起的据天文学家称,落入黑洞或由于流入人马座 A* 的气体中的磁场线纠缠所致。 2019 年 5 月 13 日,使用凯克天文台的天文学家目睹了人马座 A* 突然变亮,亮度比人马座 A* 亮 75 倍。通常,这表明超大质量黑洞可能遇到了另一个物体。毫无疑问。” 2015 年 1 月 5 日,美国宇航局报告观察到来自人马座 A* 的 X 射线耀斑比平常亮 400 倍,这是一个破纪录的事件。这一不寻常的事件可能是由一颗小行星分裂引起的据天文学家称,落入黑洞或由于流入人马座 A* 的气体中的磁场线纠缠所致。 2019 年 5 月 13 日,使用凯克天文台的天文学家目睹了人马座 A* 突然变亮,亮度比人马座 A* 亮 75 倍。通常,这表明超大质量黑洞可能遇到了另一个物体。据天文学家称,这一不寻常事件可能是由落入黑洞的小行星破裂或流入人马座 A* 的气体中的磁场线纠缠引起的。 2019 年 5 月 13 日,使用凯克天文台的天文学家目睹人马座 A* 突然变亮,比平时亮 75 倍,这表明超大质量黑洞可能遇到了另一个物体。据天文学家称,这一不寻常事件可能是由落入黑洞的小行星破裂或流入人马座 A* 的气体中的磁场线纠缠引起的。 2019 年 5 月 13 日,使用凯克天文台的天文学家目睹人马座 A* 突然变亮,比平时亮 75 倍,这表明超大质量黑洞可能遇到了另一个物体。

中央黑洞

在 2018 年 10 月 31 日发表的一篇论文中,宣布发现人马座 A* 是黑洞的确凿证据。天文学家使用引力干涉仪和超大望远镜 (VLT) 的四个望远镜创建了一个直径 130 米的虚拟望远镜,天文学家检测到以大约 30% 的光速运动的气体团块。非常靠近黑洞的高能电子的发射可见三个突出的明亮耀斑。这些与围绕接近 400 万个太阳质量的黑洞运行的热点的理论预测完全相符。耀斑被认为源自非常靠近人马座 A* 的非常热的气体中的磁相互作用。 2018 年 7 月,据报道,S2 以 7,650 公里/秒的速度绕人马座 A* 运行,即速度的 2.55%。光,到 2018 年 5 月,在距人马座 A* 约 120 AU(约 1,400 Schwarzschild 半径)的中心方法之前。在距离黑洞如此近的距离处,爱因斯坦的广义相对论 (GR) 预测,除了通常的速度红移之外,S2 还会显示出可辨别的引力红移;检测到引力红移,在 10% 的测量精度内与 GR 预测一致。假设广义相对论仍然是对事件视界附近引力的有效描述,人马座 A* 射电发射并不以黑洞为中心,而是来自黑洞周围区域的一个亮点,靠近事件视界,可能在吸积盘中,或者是从吸积盘中喷出的相对论性物质射流。如果人马座 A* 的表观位置恰好位于黑洞的中心,那么由于黑洞的引力透镜作用,就有可能看到它被放大到超出其大小。根据广义相对论,这将导致环状结构,其直径约为黑洞史瓦西半径的 5.2 倍。对于约 400 万太阳质量的黑洞,这对应的大小约为 52 μas,这与观测到的约 50 μas 的整体大小一致。最近的低分辨率观测表明,人马座 A* 的射电源是对称的。替代引力理论的模拟描述了可能难以与 GR 区分的结果。然而,2018 年的一篇论文预测了人马座 A* 的图像,这与最近的观察结果一致;特别是,它解释了源的小角尺寸和对称形态。人马座 A* 的质量以两种不同的方式估计:两组——德国和美国——监测非常靠近黑洞的单个恒星的轨道和使用开普勒定律来推断封闭质量。德国小组发现了 4.31±038 万个太阳质量,而美国小组发现了 4.1±06 万个太阳质量。鉴于这个质量被限制在一个 4400 万公里直径的球体内,这产生的密度比之前估计的高十倍。最近,对距离黑洞大约 1 秒差距内数千颗恒星样本的自行测量,结合统计技术,得出了黑洞质量的估计值为 3.6+0.2−0.4×106 M☉ ,加上中央秒差距的分布质量,总计(1±0.5)×106 M☉。后者被认为由恒星和恒星残骸组成。这个超大质量黑洞的质量相对较小,加上无线电和红外发射线的低光度,意味着银河系不是一个赛弗特星系。最终,看到的不是黑洞本身,而是观测到的只有在人马座 A* 附近存在黑洞时才一致。在这种黑洞的情况下,观测到的无线电和红外能量来自落入黑洞时加热到数百万度的气体和尘埃。黑洞本身被认为在可以忽略不计的温度下仅发射霍金辐射,大约为 10-14 开尔文。欧洲航天局”s 伽马射线天文台 INTEGRAL 观测到伽马射线与附近的巨型分子云人马座 B2 相互作用,导致从云中发射 X 射线。这次爆发的总光度(L≈1.5×1039 erg/s)估计比人马座 A* 的当前输出强一百万倍,与典型的活动星系核相当。 2011 年,这一结论得到了日本天文学家使用朱雀卫星观测银河系中心的支持。 2019 年 7 月,天文学家报告发现一颗恒星 S5-HVS1,其速度为 1,755 公里/秒(393 万英里/小时)。这颗恒星位于南天的鹤(或鹤)星座中,距离地球约 29,000 光年,可能在与中心的超大质量黑洞人马座 A* 相互作用后被推出银河系银河系的。这次爆发的总光度(L≈1.5×1039 erg/s)估计比人马座 A* 的当前输出强一百万倍,与典型的活动星系核相当。 2011 年,这一结论得到了日本天文学家使用朱雀卫星观测银河系中心的支持。 2019 年 7 月,天文学家报告发现一颗恒星 S5-HVS1,其速度为 1,755 公里/秒(393 万英里/小时)。这颗恒星位于南天的鹤(或鹤)星座中,距离地球约 29,000 光年,可能在与中心的超大质量黑洞人马座 A* 相互作用后被推出银河系银河系的。这次爆发的总光度(L≈1.5×1039 erg/s)估计比人马座 A* 的当前输出强一百万倍,与典型的活动星系核相当。 2011 年,这一结论得到了日本天文学家使用朱雀卫星观测银河系中心的支持。 2019 年 7 月,天文学家报告发现一颗恒星 S5-HVS1,其速度为 1,755 公里/秒(393 万英里/小时)。这颗恒星位于南天的鹤(或鹤)星座中,距离地球约 29,000 光年,可能在与中心的超大质量黑洞人马座 A* 相互作用后被推出银河系银河系的。5×1039 erg/s) 估计比 Sgr A* 的当前输出强一百万倍,与典型的活动星系核相当。 2011 年,这一结论得到了日本天文学家使用朱雀卫星观测银河系中心的支持。 2019 年 7 月,天文学家报告发现一颗恒星 S5-HVS1,其速度为 1,755 公里/秒(393 万英里/小时)。这颗恒星位于南天的鹤(或鹤)星座中,距离地球约 29,000 光年,可能在与中心的超大质量黑洞人马座 A* 相互作用后被推出银河系银河系的。5×1039 erg/s) 估计比 Sgr A* 的当前输出强一百万倍,与典型的活动星系核相当。 2011 年,这一结论得到了日本天文学家使用朱雀卫星观测银河系中心的支持。 2019 年 7 月,天文学家报告发现一颗恒星 S5-HVS1,其速度为 1,755 公里/秒(393 万英里/小时)。这颗恒星位于南天的鹤(或鹤)星座中,距离地球约 29,000 光年,可能在与中心的超大质量黑洞人马座 A* 相互作用后被推出银河系银河系的。755 公里/秒(393 万英里/小时)。这颗恒星位于南天的鹤(或鹤)星座中,距离地球约 29,000 光年,可能在与中心的超大质量黑洞人马座 A* 相互作用后被推出银河系银河系的。755 公里/秒(393 万英里/小时)。这颗恒星位于南天的鹤(或鹤)星座中,距离地球约 29,000 光年,可能在与中心的超大质量黑洞人马座 A* 相互作用后被推出银河系银河系的。

绕星

人马座A*附近有许多恒星,在各种星表中统称为“S星”。这些恒星主要在 K 波段红外波段观察到,因为星际尘埃极大地限制了可见光波段的能见度。这是一个快速变化的领域——2011 年,当时已知的最著名恒星的轨道绘制在右图中,显示了它们的轨道与太阳系中各种轨道之间的比较。从那以后,人们发现 S62 和 S4714 比那些恒星更接近。超大质量黑洞的高速和近距离接近使这些恒星有助于建立对人马座 A* 物理尺寸的限制,以及观察广义相对论相关效应,如轨道近点偏移。一直在积极观察恒星接近事件视界的可能性,以致被干扰,但预计这些恒星中没有一颗会遭受这种命运。观测到的 S 星轨道平面分布将人马座 A* 的自旋限制在其理论最大值的 10% 以下。截至 2020 年,S4714 是目前最接近人马座 A* 的记录保持者,在大约 12.6 天文单位(18.8 亿公里),几乎与土星离太阳的距离一样近,以大约 8% 的光速行进。这些给出的数字是近似值,正式的不确定性为 12.6±9.3 AU 和 23,928±8,840 km/s。它的轨道周期为 12 年,但 0.985 的极端偏心率使其能够近距离接近和高速。该星团表格摘录(参见人马座 A* 星团),以最杰出的成员为特色。在下表中,id1 是 Gillessen 星表中的恒星名称,id2 是加州大学洛杉矶分校星表中的星名。 a、e、i、Ω 和 ω 是标准轨道元素,a 以弧秒为单位。 Tp 是中心经过的历元,P 是轨道周期,以年为单位,Kmag 是恒星的 K 波段视星等。 q 和 v 是以 AU 为单位的中心距离和以光速百分比表示的中心速度,而 Δ 表示相关量的标准偏差。P 是以年为单位的轨道周期,Kmag 是这颗恒星的 K 波段视星等。 q 和 v 是以 AU 为单位的中心距离和以光速百分比表示的中心速度,而 Δ 表示相关量的标准偏差。P 是以年为单位的轨道周期,Kmag 是这颗恒星的 K 波段视星等。 q 和 v 是以 AU 为单位的中心距离和以光速百分比表示的中心速度,而 Δ 表示相关量的标准偏差。

在吸积过程中发现 G2 气体云

2002 年在银河系中心的图像中首次注意到不寻常的东西,质量约为地球三倍的气体云 G2 被证实很可能在一条带它进入人马座 A 吸积区的路线上* 在 2012 年发表在《自然》杂志上的一篇论文中。对其轨道的预测表明,它会在 2014 年初最接近黑洞(一个 perinigricon),当时云的距离刚刚超过事件半径的 3,000 倍距离黑洞的视界(或≈260 AU,36 光时)。自 2009 年以来,人们一直观察到 G2 正在发生破坏,一些人预测这次相遇会完全摧毁 G2,这可能导致黑洞的 X 射线和其他辐射显着变亮。其他天文学家认为气体云可能隐藏着一颗暗淡的恒星,或双星合并产物,这将把它聚集在一起抵抗人马座 A* 的潮汐力,让合奏团可以毫无影响地通过。除了对云层本身的潮汐影响外,2013 年 5 月还提出,在其周旋星之前,G2 可能会与被认为在银河系中心附近运行的黑洞和中子星族群的成员多次近距离接触,提供对银河系中心超大质量黑洞周围区域的一些见解。人马座 A* 的平均吸积率对于其质量的黑洞来说异常小,并且只有在它离地球如此近的情况下才能被探测到。人们认为,2013 年 G2 的通过可能会为天文学家提供更多了解物质如何吸积到超大质量黑洞的机会。几个天文设施观测到了这种最近的方法,Chandra、XMM、VLA、INTEGRAL、Swift、Fermi 的观测得到证实,并在 VLT 和 Keck 提出要求。ESO 和劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的小组在它发生之前进行了模拟。当云接近黑色时洞,Daryl Haggard 博士说:“有一些感觉更像是实验的东西令人兴奋”,并希望这种相互作用会产生能够提供新信息和见解的效果。在最接近云的过程中和之后没有观察到任何东西黑洞,被描述为缺乏“烟花”和“失败”。加州大学洛杉矶分校银河中心组的天文学家发表了 2014 年 3 月 19 日至 20 日获得的观测结果,得出的结论是 G2 仍然完好无损(与简单气体云假设的预测相反)并且该云很可能有一颗中央恒星。 2014 年 7 月 21 日发表的分析,基于欧洲南方天文台在智利的甚大望远镜的观测,或者得出结论认为,云不是孤立的,而是连续但较薄的物质流中的一个密集团块,并且会像围绕黑洞运行的物质盘上的恒定微风,而不是突然的阵风正如最初预期的那样,当它们撞击时引起高亮度。支持这一假设的是,13 年前从黑洞附近经过的云 G1 的轨道几乎与 G2 相同,与这两个云一致,还有一条被认为尾随 G2 的气体尾巴,所有这些都是在一个大的单一气体中密度更大的团块溪流。Andrea Ghez 教授等。在 2014 年提出 G2 不是气体云,而是一对双星,它们一直在串联绕黑洞运行并合并成一颗非常大的恒星。

也可以看看

最近黑洞的银河中心 GeV 超额列表

笔记

参考

外部链接

加州大学洛杉矶分校银河中心组 - 检索到的最新结果 8/12/2009 银河系中心是否存在超大质量黑洞?(arXiv 预印本)2004 年论文从 7 颗恒星的轨道推导出中央黑洞的质量(arXiv 预印本)ESO 轨道恒星视频剪辑(533 KB MPEG 视频)人马座 A* 的正确运动和人马座 A* 的质量(PDF) NRAO 关于 Sgr A* 窥视黑洞的 VLBI 无线电成像的文章,2015 年纽约时报视频