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第40章 Sagittarius A(2/6)

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
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