银河系的上千亿颗恒星都会受到银心黑洞的控制吗?

银河系是一个庞大的结构,其直径至少有10万光年,厚度约2千光年,其中包含的恒星数量可达1000至4000亿颗。这些恒星都有一个共同特点,它们都会环绕银河系中心公转,我们的太阳也是如此。而在银河系的中心,潜伏着一个质量为太阳430万倍的超大质量黑洞——人马座A*。那么,银河系的恒星运动都是受到人马座A*引力的控制吗?

事实并非如此。虽然恒星绕银心旋转,并且银心那里有一个超大质量黑洞,但这两者并没有直接的关系。银河系中的恒星运动并没有受到人马座A*引力的控制,只有极少数的恒星才会受到银心超大质量黑洞的束缚。这是因为人马座A*的质量远小于整个银河系的质量,所以该黑洞的引力主要范围其实很有限。

据估计,银河系中的普通物质总质量至少为太阳的1万亿倍,这相当于人马座A*质量的23万倍。人马座A*的质量占比不到0.0005%,它的引力不可能会束缚住所有恒星的运动。相比之下,太阳的质量占到整个太阳系总质量的99.8%,所以太阳的引力会控制其他所有太阳系天体的运动。

虽然人马座A*无法主宰银河系中的恒星运动,但它可以主宰少数靠近它的恒星运动。天文学家已经观测到多颗环绕人马座A*运动的恒星,例如,编号为S2的恒星就是其中一颗。

S2大约每隔16年环绕人马座A*旋转一周,它与黑洞的最近距离约为120天文单位(180亿公里),对应的最快轨道速度高达7650公里/秒(地球的公转速度仅为30公里/秒)。天文学家对这颗恒星的运动进行了长期跟踪,其实际轨道和一系列引力效应与广义相对论的预言十分吻合。

至于为什么银河系中的恒星都会以银心作为公转中心,其原因并非人马座A*的引力作用,而是因为银河系的共同质心正是银心,这是银心的意义所在。

事实上,所有天体的运动都是以共同质心为中心。太阳系中的天体并非真正意义上绕着太阳运动,而是绕着太阳系共同质心运动。只是太阳的质量占比非常大,使得太阳系的共同质心就在太阳附近,所以看起来天体在绕着太阳旋转。

那么,为什么人马座A*又会刚好处在银心呢?并且很多星系的中心都有超大质量黑洞呢?

关于星系中心的超大质量黑洞形成机制目前尚不清楚,理论上存在两种可能的机制。一种模型认为,大质量恒星死亡之后会坍缩成黑洞,它们与其他黑洞发生碰撞,并且还会逐渐吸积星际空间中的气体云,最终成长为超大质量黑洞。另一种模型认为,星际空间中的巨大气体云直接没有经历恒星过程,而是直接坍缩成超大质量黑洞的种子,最终演变为超大质量黑洞。

无论是哪种机制,种子黑洞要演变为超大质量黑洞,必须吞噬大量的物质和其他黑洞。由于长时间的动力学效应,最终能够成长为超大质量黑洞的种子黑洞必然会逐渐迁移到星系中心。在星系中心,还能捕获更多的物质,从而使质量进一步增大。有些超大质量黑洞的质量可达太阳的数十亿倍,例如,M87*,有些甚至可达太阳的数百亿倍。