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銀心黑洞的質量不足銀河系的0.0005%,為何能束縛住整個銀河系?
2021/10/26
2021/10/26

太陽系是一個以太陽為中心的天體系統,包括八大行星在內的各種天體都在圍繞著太陽運行,為什麼會這樣呢?一個常見的解釋就是:太陽質量高達1.989 x 10^30千克,佔據了太陽系總質量的大約99.86%,其產生的強大引力將在太陽系中運行的各種天體都束縛住了。

從更巨觀的層面來看,太陽只是銀河系中數千億顆恒星中的一員,而包括太陽在內的銀河系中的所有恒星,都在圍繞著銀河系中心運行,所以我們很容易就可以推測出,在銀河系中心很可能存在著一個質量巨大的引力源。

實際上,銀河系中心確實存在著一個龐然大物——銀心黑洞,科學家根據觀測資料估算出,銀心黑洞的質量約為430萬倍太陽質量,屬于超大質量黑洞。

從數字上來看,銀心黑洞的質量確實非常驚人,但與整個銀河系的規模相比,這個數位卻顯得很是渺小,觀測資料顯示,整個銀河系的質量至少有1萬億倍太陽質量,也就是說,銀心黑洞的質量不足銀河系的0.0005%,這就有點令人感到疑惑了,質量如此「渺小」的銀心黑洞,為何能束縛住整個銀河系?

銀心黑洞只有430萬倍太陽質量,為什麼能夠束縛住數千億顆恒星呢?

這個問題有一個簡單的答案,那就是以銀心黑洞的引力,根本就不能束縛住整個銀河系的數千億顆恒星,而之所以銀河系能夠像現在這樣有條不紊地運行,則是因為另外的原因,下面我們來看看具體是怎麼回事。

上圖冥王星和它的衛星「卡戎」的運行狀態,可以看到,冥王星和「卡戎」都在圍繞著一個「點」在做圓周運動,而這個「點」其實就是它們的共同質心,為什麼會這樣呢?

根據萬有引力定律,當冥王星對「卡戎」施加引力的同時,「卡戎」也會對冥王星施加同等大小的引力,這就會使這兩個天體不斷地互相接近,並最終撞在一起,而它們之所以沒有發生碰撞,則是因為它們都在做圓周運動,彼此間的引力就充當了「向心力」,在這個過程中,冥王星和「卡戎」就會圍繞著它們的共同質心做圓周運動。

同樣的道理,太陽系中的所有天體其實也是在圍繞著太陽系的共同質心運動,是的,太陽其實也在圍繞著太陽系的共同質心運動,只不過由于太陽的質量非常龐大,以至于太陽系的共同質心就位于太陽附近,所以太陽的這種運動很不明顯,看上去就像是沒有運動一樣。

(圖為地球和太陽運動狀態的簡化模型)

實際上,上述原理也適用于銀河系,也就是說,銀河系的數千億顆恒星是在圍繞著銀河系的共同質心(也就是銀河系中心運動),這是整個銀河系引力的共同作用,相對來講,銀心黑洞的引力束縛作用其實是非常有限的,畢竟它只有430萬倍太陽質量,其質量不足銀河系的0.0005%。

值得一提的是,在過去的研究工作中,科學家發現銀河系的旋轉速度遠遠地超出了理論值,以銀河系中已知物質產生的引力,根本無法束縛住整個銀河系,而除了銀河系之外,宇宙中的其他星系也普遍存在著這樣的現象。

科學家據此推測,宇宙中應該還存在著一種特殊的物質,它們會參與引力相互作用,但基本上不會參與電磁相互作用,因此無法被我們探測到。這種物質就是我們常聽到的「暗物質」,科學家推測,正是因為暗物質的引力束縛,銀河系才能夠以當前的速度旋轉而不至于分崩離析。

根據計算,銀河系中暗物質的質量是我們可以探測到的已知物質的5倍多,這也就意味著,束縛銀河系的引力的主要「提供者」,其實並不是銀心黑洞,也不是銀河系中的數千億顆恒星,而是暗物質。

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