可观测Universe 第40章 Sagittarius A

Sagittarius A（黑洞）

· 描述：银河系中心的超级黑洞

· 身份：人马座方向的超大质量黑洞，距离地球约26,000光年

· 关键事实：质量约为430万太阳质量，2022年事件视界望远镜成功获得其首张图像，证实了银河系中心黑洞的存在。

Sagittarius A*：银河系心脏的“引力之王”（上篇）

当我们仰望银河，那条横亘夜空的乳白色光带，是银河系盘的恒星集合——我们的家园星系，一个包含4000亿颗恒星的棒旋星系。在这片璀璨的背后，隐藏着一个“沉默的巨人”：它坐落在银河系中心的人马座方向，距离地球2.6万光年，质量是太阳的430万倍，引力之强足以扭曲周围时空，连光线都无法逃脱。它就是Sagittarius A（人马座A）**，银河系中心的超大质量黑洞，也是人类目前能“看见”自身星系核心的唯一直接证据。

一、银河系中心的“迷雾”：从古代猜想到现代观测的突破

人类对银河系中心的想象，贯穿了整个天文史。古埃及人将银河视为“尼罗河的延伸”，认为它是通往天堂的河流；古希腊哲学家德谟克利特猜测银河是“无数恒星的集合”，但受限于观测技术，没人能看清中心的样子。直到17世纪，伽利略用望远镜指向银河，才发现它是由密密麻麻的恒星组成——但银河中心的区域，始终被浓厚的星际尘埃遮挡：这些尘埃颗粒（直径约0.1微米）吸收了可见光，让中心区域在望远镜中变成一片“黑斑”，仿佛宇宙的“隐秘角落”。

1. 射电望远镜的“透视眼”：第一次“看见”中心

20世纪50年代，射电天文学的兴起打破了这一僵局。射电波能穿透尘埃，让天文学家“看穿”银河系的中心。1950年代，澳大利亚天文学家用射电望远镜发现银河系中心有一个强射电源；1974年，美国天文学家布鲁斯·巴里克（Bruce Balick）和罗伯特·布朗（Robert Brown）用甚大阵射电望远镜（VLA）进行高分辨率观测，终于定位到一个直径仅0.3角秒的致密射电源——它位于银河系中心的“银心”（Galactic Center），坐标为人马座B2区域附近。布朗将其命名为Sagittarius A（Sgr A）**，意为“人马座A的致密核心”。

2. 早期的争议：是黑洞还是中子星团？

Sgr A*的发现引发了激烈争论：这个致密天体究竟是什么？当时有两种主流假设：

中子星团：由大量中子星紧密堆积而成，总质量达到百万太阳级；

超大质量黑洞：一个单一的致密天体，质量超过奥本海默-沃尔科夫极限（约3倍太阳质量），无法通过中子简并压抵抗引力。

但中子星团的模型很快被推翻：中子星的密度约为101? g/cm3，若要堆积成百万太阳质量的天体，其直径至少要达到100公里——但Sgr A*的射电辐射区域直径仅约10倍史瓦西半径（约1200万公里），远小于中子星团的预期大小。相比之下，黑洞的模型更合理：它的事件视界（史瓦西半径）仅约1200万公里，能将所有质量压缩在一个“无体积”的奇点，完美解释其致密性。

二、质量的“称重”：用恒星运动轨迹破解黑洞之谜

要证明Sgr A是超大质量黑洞，最直接的证据是测量其质量——只有质量足够大、体积足够小，才能满足黑洞的条件。而测量银河系中心天体质量的“钥匙”，藏在周围恒星的运动轨迹*里。

1. 长达20年的“恒星追踪”：Genzel团队的突破

从1990年代开始，德国天文学家赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）领导的团队，用欧洲南方天文台的新技术望远镜（NTT）和甚大望远镜（VLT），对人马座中心区域进行长期红外观测。红外光能穿透尘埃，让他们能追踪到靠近Sgr A*的恒星运动。

2. S2恒星：银河系中心的“短跑冠军”

1996年，团队发现了一颗编号为S2的恒星——它是目前已知离Sgr A最近的恒星，轨道周期仅16年*（相比之下，太阳系中 Neptune的周期是165年）。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1.5亿公里）；

近心点距离：17光小时（约1.8×1013公里，相当于太阳到地球距离的120倍）；

近心点速度：2.7%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（M）的关系为：

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