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第40章 sagittarius a(第2页)

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通过持续观测,团队绘制出s2的完整椭圆轨道:半长轴:1000天文单位(au,约15亿公里);近心点距离:17光小时(约18x1013公里,相当于太阳到地球距离的120倍);近心点速度:27光速(约8000公里秒)——这是人类观测到的恒星最高速度之一。

3开普勒定律的“终极验证”

:计算中心质量根据开普勒第三定律,恒星的轨道周期(t)与中心天体质量()的关系为:小主,这个章节后面还有哦,,后面更精彩!

t2=frac{4pi2}{g}a3其中,g是引力常数,a是轨道半长轴。

代入s2的数据:t=16年=504x10?秒;a=1000au=15x101?米;计算得出:≈43x10?☉(太阳质量)。

4体积的“极限压缩”

:证明是黑洞更关键的是,sgra的角直径仅为约40微角秒(通过vlbi观测)。

根据角直径与距离的关系,其物理尺寸约为:d=thetatisd=40tis10{-6}text{角秒}tis26tis104text{光年}approx12tis10{10}text{米}这正好等于史瓦西半径(r_s=2gc2≈12x101?米)——意味着sgra的所有质量都被压缩在事件视界内,没有任何其他结构能容纳这么大的质量在这么小的空间里。

sgra是黑洞,而且是超大质量黑洞。

三、sgra的“身份证”

:基本属性与宇宙对比现在,我们已经明确了sgra的核心参数:质量:43x10?☉(约为银河系总质量的00001);距离:26x10?光年(约246x102?公里);史瓦西半径:r_s≈12x101?米(约1200万公里,相当于水星轨道半径的13,或地球到月球距离的3倍);自转速度:约09倍光速(通过吸积盘的偏振观测推断,属于“高速自转黑洞”

)。

1与其他黑洞的“体型”

对比恒星级黑洞:质量3-100☉,史瓦西半径10-300公里(比如ligo探测到的gw黑洞,质量29+36☉,r_s≈170公里);中等质量黑洞:质量103-10?☉,史瓦西半径3x10?-3x10?公里(比如ngc1313x-1,质量约2x10?☉,r_s≈6x10?公里);sgra:质量43x10?☉,r_s≈12x101?公里——是恒星级黑洞的100倍,中等质量黑洞的2倍。

2“安静”

的黑洞:为什么sgra不“亮”

?与类星体或活动星系核(agn)相比,sgra显得异常“安静”

——它的亮度仅为103?瓦(相当于100个太阳的亮度),而87(另一个已成像的超大质量黑洞)的亮度是它的1000倍。

原因在于吸积率极低:黑洞的亮度来自吸积盘的辐射——当气体落入黑洞时,摩擦加热到数百万度,发出x射线和伽马射线。

sgra的吸积率仅为10??☉年(每年吞噬约10??倍太阳质量的气体),而87的吸积率是10??☉年——相当于sgra每10万年才吞噬一颗太阳质量的物质,因此辐射极弱。

四、周围的“舞台”

:恒星、气体与吸积盘尽管sgra很安静,它的周围却是一个“热闹的小宇宙”

:数百颗恒星以极高的速度绕其运转,稀薄的气体形成吸积盘,偶尔还会爆发x射线耀发。

1恒星“舞蹈团”

:s星团的轨道除了s2,团队还发现了约100颗围绕sgra运转的恒星,统称为s星团(s-cster)。

这些恒星的轨道都是高度椭圆的,近心点距离从几光年到几十光小时不等。

比如:s62:轨道周期仅99年,近心点距离仅26光小时(约28x1012公里),速度达3光速;s4714:近心点距离仅12光小时(约13x1012公里),速度达37光速——比s2更快。

2吸积盘:稀薄的“热气体环”

sgra的吸积盘由电离气体(主要是氢和氦)组成,厚度约10倍史瓦西半径,直径约100倍史瓦西半径(约12x1012公里)。

吸积盘的温度约为10?k(百万度),发出软x射线(波长01-10纳米)和近红外线(波长1-5微米)。

2019年,钱德拉x射线望远镜观测到sgra的x射线耀发:亮度突然增强100倍,持续几分钟。

模型显示,这是吸积盘内的气体团块落入黑洞时,摩擦加热到更高温度(10?k)所致——相当于“黑洞打了个‘嗝’”

3喷流:指向银河系的“宇宙灯塔”

sgra还有双向喷流:从黑洞两极喷出的高速等离子体流,延伸至数千光年外。

喷流的速度约为01倍光速,由黑洞的自转和磁场驱动(布兰福德-茨纳耶克机制)。

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