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银心黑洞只有430万倍太阳质量,为什么能够束缚住数千亿颗恒星?

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魅力科学君 2021-10-25 11:24

太阳系是一个以太阳为中心的天体系统,包括八大行星在内的各种天体都在围绕着太阳运行,为什么会这样呢?一个常见的解释就是:太阳质量高达1.989 x 10^30千克,占据了太阳系总质量的大约99.86%,其产生的强大引力将在太阳系中运行的各种天体都束缚住了。

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从更宏观的层面来看,太阳只是银河系中数千亿颗恒星中的一员,而包括太阳在内的银河系中的所有恒星,都在围绕着银河系中心运行,所以我们很容易就可以推测出,在银河系中心很可能存在着一个质量巨大的引力源。

实际上,银河系中心确实存在着一个庞然大物——银心黑洞,科学家根据观测数据估算出,银心黑洞的质量约为430万倍太阳质量,属于超大质量黑洞。

从数字上来看,银心黑洞的质量确实非常惊人,但与整个银河系的规模相比,这个数字却显得很是渺小,观测数据显示,整个银河系的质量至少有1万亿倍太阳质量,也就是说,银心黑洞的质量不足银河系的0.0005%,这就有点令人感到疑惑了,质量如此“渺小”的银心黑洞,为何能束缚住整个银河系?

银心黑洞只有430万倍太阳质量,为什么能够束缚住数千亿颗恒星呢?

这个问题有一个简单的答案,那就是以银心黑洞的引力,根本就不能束缚住整个银河系的数千亿颗恒星,而之所以银河系能够像现在这样有条不紊地运行,则是因为另外的原因,下面我们来看看具体是怎么回事。

上图冥王星和它的卫星“卡戎”的运行状态,可以看到,冥王星和“卡戎”都在围绕着一个“点”在做圆周运动,而这个“点”其实就是它们的共同质心,为什么会这样呢?

根据万有引力定律,当冥王星对“卡戎”施加引力的同时,“卡戎”也会对冥王星施加同等大小的引力,这就会使这两个天体不断地互相接近,并最终撞在一起,而它们之所以没有发生碰撞,则是因为它们都在做圆周运动,彼此间的引力就充当了“向心力”,在这个过程中,冥王星和“卡戎”就会围绕着它们的共同质心做圆周运动。

同样的道理,太阳系中的所有天体其实也是在围绕着太阳系的共同质心运动,是的,太阳其实也在围绕着太阳系的共同质心运动,只不过由于太阳的质量非常庞大,以至于太阳系的共同质心就位于太阳附近,所以太阳的这种运动很不明显,看上去就像是没有运动一样。

(图为地球和太阳运动状态的简化模型)

实际上,上述原理也适用于银河系,也就是说,银河系的数千亿颗恒星是在围绕着银河系的共同质心(也就是银河系中心运动),这是整个银河系引力的共同作用,相对来讲,银心黑洞的引力束缚作用其实是非常有限的,毕竟它只有430万倍太阳质量,其质量不足银河系的0.0005%。

值得一提的是,在过去的研究工作中,科学家发现银河系的旋转速度远远地超出了理论值,以银河系中已知物质产生的引力,根本无法束缚住整个银河系,而除了银河系之外,宇宙中的其他星系也普遍存在着这样的现象。

科学家据此推测,宇宙中应该还存在着一种特殊的物质,它们会参与引力相互作用,但基本上不会参与电磁相互作用,因此无法被我们探测到。这种物质就是我们常听到的“暗物质”,科学家推测,正是因为暗物质的引力束缚,银河系才能够以当前的速度旋转而不至于分崩离析。

根据计算,银河系中暗物质的质量是我们可以探测到的已知物质的5倍多,这也就意味着,束缚银河系的引力的主要“提供者”,其实并不是银心黑洞,也不是银河系中的数千亿颗恒星,而是暗物质。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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