银河系中心还隐藏着其他东西吗?

在双子座北望远镜的帮助下,天文学家对位于银河系中心的超大质量黑洞周围的恒星运动进行了迄今为止最精确的测量。 这些结果显示,银河系中心所含质量的99.9%来自黑洞,只有0.1%可能包括恒星、较小的黑洞、星际尘埃和气体或暗物质。

天文学家比以往任何时候都更精确地测量了人马座A*(Sgr A*)附近的四颗恒星的位置和速度,这个超大质量黑洞潜伏在银河系的中心。这些恒星--被称为S2、S29、S38和S55--的运动被发现遵循的路径表明,银河系中心的质量几乎完全来自于人马座A*黑洞,留给其他东西的空间非常小。

研究小组在这项研究中使用了各种先进的天文设施。为了测量恒星的速度,他们使用了夏威夷毛纳克亚山顶附近的双子座北望远镜的双子座近红外光谱仪(GNIRS)的光谱,这是国际双子座天文台的一部分,是美国国家科学基金会NOIRLab的一个项目,以及欧洲南方天文台超大型望远镜上的SINFONI仪器。VLTI上的GRAVITY仪器被用来测量恒星的位置。

“我们非常感谢双子座天文台,它的GNIRS仪器为我们提供了所需的关键信息,”马克斯-普朗克地外物理研究所所长、2020年诺贝尔物理学奖共同获得者Reinhard Genzel说。“这项研究显示了世界范围内的合作是最好的。”

银河系的银河中心距离太阳大约27000光年,包含了紧凑的射电源Sgr A*,天文学家已经确定它是一个质量为太阳430万倍的超大质量黑洞。尽管经过数十年的艰苦观测--并因发现Sgr A*的身份而获得诺贝尔奖-但一直难以最终证明这一质量的大部分只属于超大质量黑洞,而不包括大量的物质,如恒星、较小的黑洞、星际尘埃和气体或暗物质。

“随着2020年诺贝尔物理学奖的颁发,确认Sgr A*确实是一个黑洞,我们现在想更进一步。我们想了解在银河系中心是否还隐藏着其他东西,以及广义相对论是否确实是这个极端实验室中正确的引力理论,”参与这项工作的天文学家之一Stefan Gillessen解释说。“回答这个问题最直接的方法是密切跟踪经过Sgr A*附近的恒星的轨道。”

爱因斯坦的广义相对论预测,围绕超大质量紧凑天体的恒星轨道与经典牛顿物理学预测的轨道有微妙的不同。特别是,广义相对论预测,恒星的轨道将描画出一个优雅的玫瑰花形状--这种效应被称为“史瓦西进动”。为了实际看到恒星划出这个“花环”,研究小组追踪了紧邻Sgr A*的四颗恒星的位置和速度--称为S2、S29、S38和S55。研究小组通过对这些恒星前进程度的观察,使他们能够推断出Sgr A*内部的质量分布。他们发现,S2星轨道内的任何扩展质量最多只相当于超大质量黑洞质量的0.1%。

测量我们银河系超大质量黑洞周围的遥远恒星轨道的微小变化是令人难以置信的挑战。为了取得进一步的发现,天文学家们不仅要突破科学的界限,而且要突破工程的界限。即将推出的超大型望远镜(ELT),如巨型麦哲伦望远镜和三十米望远镜(都是美国ELT计划的一部分),将使天文学家能够以更高的精度测量更暗的恒星。

“我们将在未来进一步提高我们的灵敏度,使我们能够跟踪更暗淡的天体,”Gillessen总结道。“我们希望能探测到比我们现在看到的更多的东西,让我们有一个独特的、毫不含糊的方法来测量黑洞的旋转。”

美国国家科学基金会双子座项目官员Martin Still说:“双子座观测站继续为我们的银河系和其中心的巨大黑洞的性质提供新的见解。在未来的十年里,进一步开发用于广泛使用的仪器将保持NOIRLab在描述我们周围宇宙特征方面的领先地位。”

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