银河系中心黑洞旁存在一个超越人类探测能力的神秘天体?

古风剑客

银心超大质量黑洞是否有伴侣？

目前仅有的两个被人类“直接”拍摄照片的黑洞：“人马座A*”、“M87*”，与冥王星轨道、水星轨道、太阳直径，以及“旅行者1”号所在位置和太阳系距离的对比。EHT

银河系中心存在一个质量大约相当于420万个太阳的巨型黑洞。这个距离地球27000光年的黑洞名为“人马座A*”，是已知距离地球最近的超大质量黑洞。它和我们的距离近到天文学家可以看到围绕这个黑洞运行的恒星，并连续多年对它们进行监视。这意味着天文学家可以算出这些恒星的轨道，进而得知银心黑洞的质量。

而最近有学者将关注焦点放在了另一件事上——他们对银河系中心只有一个黑洞表示怀疑，并通过计算限定了这个可能存在的黑洞的质量及其位置。

在宇宙中，确有一些星系中心不止一个黑洞。星系的合并会导致合并后的星系中心拥有两个超大质量黑洞。根据目前已经掌握的信息，人们确信银河系中心只有一个超大质量黑洞。但是银河系中心完全有可能还有较小的黑洞，比如大质量恒星死后形成的恒星级黑洞，又比如所谓的中等质量黑洞。前者超出当前人类观测能力太多；而后者还是有可能发现的——只要这个黑洞的质量和位置恰好位于当前人类观测能力的极限之内。

中等质量黑洞的质量介于数百个至数十万个太阳之间（超大质量黑洞的质量在数十万个太阳以上）。它们既不是由大质量恒星坍缩而成的，也不是星系的引力“种子”。它们是科学家在最近几年，才通过探测黑洞合并产生的引力波发现的。对于它们的成因，人们尚不明确，甚至还不能确定它们在宇宙中是否普遍存在。

假如银河系中心的黑洞拥有一个中等质量黑洞伴侣，那么它的引力也会影响到环绕银心黑洞运行的恒星轨道。

环绕银心黑洞“人马座A*”运行的恒星有很多，其中有一颗叫S0-2。S0-2距离“人马座A*”非常近，以至于学者们在计算它的轨道时，必须考虑到广义相对论。S0-2被研究得非常多，所以人们对它的轨道特点也了解得比较透彻。假如它的附近藏着一个中等质量黑洞，那么它一定会受到影响。

研究人员在对S0-2的轨道数据进行了仔细分析之后认为，在现有观测能力的极限内，未发现S0-2的轨道有受外力扰动的迹象——但这并不意味着在它附近不存在中等质量黑洞，而是缩小了这个黑洞的特征范围。

数据显示，这个黑洞如果存在于S0-2轨道的外侧，距离银心黑洞“人马座A*”在1000至4000个天文单位（一个天文单位也就是一个AU的值，等于地球和太阳间的一个平均距离）之间，那么它的质量上限应该在1000个至10000个太阳之间；假如这个黑洞存在于S0-2轨道内侧，也就是说它比S0-2更靠近“人马座A*”，那么它的质量最多不会超过400个太阳。

这一研究的意义在于缩小了人们在寻找银心中等质量黑洞时的搜索范围。至少在与S0-2相关的空间中，不可能存在较大的中等质量黑洞；虽然不排除存在较小中等质量黑洞的可能性，但那已经超越了人类当前的探测能力。

S0-2的轨道和银心黑洞“人马座A*”非常近。ESO / M. Kornmesser

参考
Constraining a companion of the galactic center black hole, Sgr A*
https://arxiv.org/abs/2307.16646
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