第40章 Sagittarius A（1/2）

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（）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”（gctic 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1.8x1013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：

t^2 = \\frac{4\\pi^2}{gm} a^3

其中，g是引力常数，a是轨道半长轴。代入s2的数据：

t = 16年 = 5.04x10?秒；

a = 1000 au = 1.5x101?米；

计算得出：m ≈ 4.3x10? m☉（太阳质量）。

4. 体积的“极限压缩”：证明是黑洞

更关键的是，sgr a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 = \\theta \\times d = 40 \\times 10^{-6} \\text{角秒} \\times 2.6 \\times 10^4 \\text{光年} \\approx 1.2 \\times 10^{10} \\text{米}

这正好等于史瓦西半径（r_s = 2gm\/c2 ≈ 1.2x101?米）——意味着sgr a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。sgr a是黑洞，而且是超大质量黑洞**。

三、sgr a*的“身份证”：基本属性与宇宙对比

现在，我们已经明确了sgr a*的核心参数：

质量：4.3x10? m☉（约为银河系总质量的0.0001%）；

距离：2.6x10?光年（约2.46x102?公里）；

史瓦西半径：r_s ≈ 1.2x101?米（约1200万公里，相当于水星轨道半径的1\/3，或地球到月球距离的3倍）；

自转速度：约0.9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 m☉，史瓦西半径10-300公里（比如ligo探测到的gw黑洞，质量29+36 m☉，r_s≈170公里）；

中等质量黑洞：质量103-10? m☉，史瓦西半径3x10?-3x10?公里（比如ngc 1313 x-1，质量约2x10? m☉，r_s≈6x10?公里）；

sgr a*：质量4.3x10? m☉，r_s≈1.2x101?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sgr a*不“亮”？

与类星体或活动星系核（agn）相比，sgr a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m87（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。

sgr a的吸积率仅为10?? m☉\/年（每年吞噬约10??倍太阳质量的气体），而m87的吸积率是10?? m☉\/年——相当于sgr a*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sgr a*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sgr a运转的恒星，统称为s星团*（s-cluster）。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9.9年，近心点距离仅2.6光小时（约2.8x1012公里），速度达3%光速；

s4714：近心点距离仅1.2光小时（约1.3x1012公里），速度达3.7%光速——比s2更快。

2. 吸积盘：稀薄的“热气体环”

sgr a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1.2x1012公里）。吸积盘的温度约为10? k（百万度），发出软x射线（波长0.1-10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sgr a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”

sgr a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0.1倍光速*，由黑洞的自转和磁场驱动（布兰福德-茨纳耶克机制）。

喷流的存在，证明sgr a*并非“完全安静”——它仍在通过喷流向银河系注入能量。这些喷流会加热周围的星际介质，抑制恒星形成——这是超大质量黑洞“调控”星系演化的重要方式。

五、科学意义：银河系的“演化引擎”

sgr a的重要性，远不止于它是“银河系的黑洞”——它是研究超大质量黑洞与星系协同演化*的唯一“活样本”：

1. 黑洞与星系的“共生关系”

根据“宇宙学模拟”，超大质量黑洞与星系的形成是同步的：

星系合并时，气体向中心聚集，形成黑洞；

黑洞通过吸积和喷流释放能量，加热星际介质，阻止过多的恒星形成——避免星系变得过大；

黑洞的质量与星系核球的质量呈强相关（m_ bh ∝ m_bulge^0.5-1）：sgr a*的质量（4.3x10? m☉）与银河系核球的质量（约101? m☉）正好符合这一关系。

2. 测试广义相对论的“宇宙实验室”

sgr a*的史瓦西半径约为1200万公里，虽然远，但已足够让我们测试广义相对论的预测：

恒星轨道的进动：根据广义相对论，s2恒星的轨道会因黑洞的自转产生“进动”（类似于水星近日点进动，但幅度更大）。2020年，genzel团队观测到s2的进动，与广义相对论的预测一致——这是广义相对论在强引力场下的又一次验证。