銀河系巨大黑洞附近的年輕雙星系統(tǒng)

這一令人驚訝的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)令人們重新思考銀河系中心的天體物理學(xué)。

歐洲甚大望遠(yuǎn)鏡的圖像顯示了銀河系中心超大質(zhì)量黑洞人馬座A*（Sgr A*）和新發(fā)現(xiàn)的雙星D9

從事銀河系中心區(qū)域研究工作的天文學(xué)家如今發(fā)現(xiàn)了他們從未預(yù)料到的事情：一對(duì)年輕的恒星在超大質(zhì)量黑洞附近相互繞行，而這個(gè)超大質(zhì)量黑洞可以說(shuō)就是我們銀河系的黑暗心臟。2024年12月發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上的這一觀測(cè)結(jié)果令人十分震驚，因?yàn)樘祗w物理學(xué)家曾認(rèn)為黑洞的強(qiáng)烈引力要么將恒星撕裂，要么會(huì)將它們擠壓在一起。但這個(gè)被稱為D9的新天體表明，這種“雙星”至少可以短暫地在黑洞附近生存。它也有助于解釋附近的其他神秘天體的來(lái)源。

“這些結(jié)果讓我非常驚訝。”加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的天體物理學(xué)家杜駿（Tuan Do）說(shuō)。他并沒(méi)有參與這項(xiàng)工作?！斑@表明，盡管我們幾十年來(lái)一直在觀察天空中的這個(gè)小小的點(diǎn)，但總有可能會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

銀河系中心的黑洞是時(shí)空架構(gòu)中不可忽視的一個(gè)深坑，其質(zhì)量是太陽(yáng)的400萬(wàn)倍。然而，它非常致密，我們甚至可以把它放在水星圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道之中。這個(gè)超大質(zhì)量黑洞被稱為人馬座A*，它本身是無(wú)法被看見(jiàn)的。但天文學(xué)家知道它的存在，因?yàn)樯贁?shù)屬于S星團(tuán)（S-cluster）的恒星圍繞著那個(gè)黑點(diǎn)運(yùn)行，且十分靠近黑洞的“事件視界”。這非常危險(xiǎn)，因?yàn)樵谶@個(gè)距離內(nèi)，任何東西，哪怕是光，都無(wú)法逃脫它的引力。

多年來(lái)，加利福尼亞州以及德國(guó)的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)一直在監(jiān)測(cè)它們當(dāng)中距離地球最近的恒星。大約20年前，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都證明了這顆恒星的偏心高速軌道只有在它圍繞著一個(gè)質(zhì)量極大的緊湊物體——黑洞——運(yùn)行時(shí)才有可能存在。團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人——馬克斯 · 普朗克地外物理學(xué)研究所（MPE）的萊因哈德 · 根策爾（Reinhard Genzel）和加州大學(xué)洛杉磯分校的安德里亞 · 蓋茲（Andrea Ghez）——共同獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但S星團(tuán)中還存在其他謎團(tuán)。雖然星團(tuán)中有許多數(shù)十億年前從更遠(yuǎn)的地方遷移過(guò)來(lái)的年老恒星，但依然存在一些年輕成員。這很奇怪，因?yàn)橥ǔ：阈钦Q生的地方含有大量的冷氣體，這些氣體不可能在離超大質(zhì)量黑洞這么近的地方存在。如果這些年輕的恒星是從其他地方遷移過(guò)來(lái)的，那也不應(yīng)該這么多。該星團(tuán)還包含神秘的G天體，它們看起來(lái)像是塵埃和氣體的團(tuán)塊，但以特定的頻率發(fā)光，就像氣體被附近的恒星激發(fā)一樣。此外，盡管銀河系中至少有1/3的恒星系統(tǒng)是雙星或多星，但S星團(tuán)中卻難覓它們的蹤跡。

最新發(fā)現(xiàn)的雙星系統(tǒng)的證據(jù)是星光波長(zhǎng)的震顫現(xiàn)象?？坡〈髮W(xué)的弗洛里安 · 佩斯克爾（Florian Pei?ker）領(lǐng)導(dǎo)的天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)在利用歐洲南方天文臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡研究G天體時(shí)，注意到天體的特征發(fā)射線在不同時(shí)間會(huì)略有偏移。觀測(cè)銀河系中心很困難，因?yàn)樗粴怏w和塵?；\罩著，所以研究人員通常會(huì)疊加許多夜晚的觀測(cè)結(jié)果以減少噪聲。

然而，佩斯克爾和他的團(tuán)隊(duì)將這些觀測(cè)結(jié)果按每個(gè)單獨(dú)的夜晚重新區(qū)分開，從而發(fā)現(xiàn)譜線以372天的周期有規(guī)律地移動(dòng)。這種移動(dòng)證明了這個(gè)充滿塵埃的斑點(diǎn)中包含著一對(duì)雙星。在軌道運(yùn)動(dòng)中，恒星反復(fù)沖向地球，然后一次又一次地遠(yuǎn)離地球。當(dāng)恒星向地球移動(dòng)時(shí)，它的光會(huì)轉(zhuǎn)向較短的波長(zhǎng)，就像救護(hù)車向你駛來(lái)時(shí)警報(bào)器的音調(diào)會(huì)提升一樣。當(dāng)恒星遠(yuǎn)離地球時(shí)，光的波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)，就像救護(hù)車駛離時(shí)警報(bào)器的音調(diào)會(huì)下降一樣。

盡管D9具有G天體特有的塵埃特征，但它并不像類似天體那樣明亮。當(dāng)研究人員將D9的整體發(fā)射譜與帶有塵埃云的新形成恒星模型進(jìn)行比較時(shí)，他們得出結(jié)論，D9可能由一顆只有270萬(wàn)年歷史、質(zhì)量是太陽(yáng)2.8倍的恒星和一顆質(zhì)量只有0.7倍太陽(yáng)質(zhì)量的伴星組成。理論物理學(xué)家預(yù)測(cè)，接近超大質(zhì)量黑洞的雙星系統(tǒng)不會(huì)持續(xù)太久，如果兩顆恒星相距甚遠(yuǎn)，它們會(huì)被撕裂；如果它們靠得很近，它們會(huì)被迫合并。D9的情況表明，兩顆恒星應(yīng)該很快就會(huì)合并。佩斯克爾說(shuō)，這“可能是在一百萬(wàn)年后，但也可能發(fā)生在明天”。

該團(tuán)隊(duì)表示，D9可以為S星團(tuán)的幾個(gè)謎團(tuán)提供答案。G天體可能是最近發(fā)生的雙星合并或即將發(fā)生的合并的產(chǎn)物。隨著塵埃和氣體的覆蓋物消散，如此形成的恒星可能就是S星團(tuán)中可見(jiàn)的年輕恒星之一?！斑@個(gè)天體有可能告訴我們很多關(guān)于此區(qū)域的信息?！倍膨E說(shuō)。

并不是每個(gè)人都認(rèn)為這可以完全解釋G天體。MPE的天體物理學(xué)家斯特凡 · 吉勒森（Stefan Gillessen）等人認(rèn)為，G天體是來(lái)自鄰近恒星的恒星風(fēng)碰撞時(shí)產(chǎn)生的短暫的氣體和塵埃團(tuán)塊，并且會(huì)產(chǎn)生湍流和沖擊波。他和他的同事已經(jīng)確定了三個(gè)似乎共享同一軌道的G天體?！盀槭裁慈w恒星會(huì)像串上的珍珠一樣排列？”他問(wèn)道。他認(rèn)為一個(gè)更自然的解釋是，這是一大塊氣體沿著軌道延伸出現(xiàn)的現(xiàn)象，其密度高到連望遠(yuǎn)鏡都可以觀測(cè)到。

然而，吉勒森表示，他并不排除雙星合并也會(huì)產(chǎn)生G天體的可能性?！皠?dòng)物園里有一個(gè)新物種，當(dāng)然是很有趣的事情?！?/p>

資料來(lái)源"Science