中国科学家在研究银河系中心区域时,发现了可能填补黑洞演化“缺失一环”的关键线索。研究聚焦于围绕银河系中心超大质量黑洞——人马座 A(Sgr A)运行的三组年轻恒星。人马座 A* 的质量约为太阳的 400 万倍,在其极近距离(约 0.04 秒差距,即 0.13 光年)存在着轨道扁长、倾角随机分布的 S 星团。稍远一些(约 0.04 至 0.5 秒差距,即 1.6 光年)的范围内,约五分之一的年轻恒星形成了一个轨道近乎共面、顺时针旋转的恒星盘。而在更外围,则分布着大量轨道倾角各异、同样扁长的“离盘星”。
令天文学家感到困惑的是,这三组恒星的年龄竟然惊人地一致,都在 600 万至 1500 万年之间。按照传统的恒星动力学理论,恒星轨道形态的演化需要数十亿年,因此这些“同龄”恒星如何在如此短暂的时间内形成截然不同的轨道特征,一直是个未解之谜。
研究团队提出了一种全新的解释:这三组恒星可能源自同一个原始气体盘,而将它们塑造成如今形态的,是一个隐藏在银心附近、质量约为太阳 1 万倍的中等质量引力源。这个引力源极有可能是理论预言中极为罕见的中等质量黑洞。
为了验证这一假设,研究团队利用中山大学王龙教授开发的开源 N 体模拟软件 PeTar,并在清华大学的高性能计算平台上进行了大规模数值模拟。模拟结果表明,只有在中等质量引力源的持续扰动下,才能在短短数百万年内重现三组恒星的轨道分布特征。
研究进一步阐述了这个“引力推手”如何通过三重动力学机制塑造了这三组恒星。首先,这个倾斜的引力源通过“古在效应”(von Zeipel-Lidov-Kozai effect),周期性地激发外围恒星的轨道偏心率和倾角,将它们“甩”到更远的地方,形成了离盘星。
其次,随着原始气体盘的消散,“扫荡性久期共振”(SSR)机制使得共振位置由外向内移动,在保持倾角的同时增加了偏心率,从而形成了相对规整的顺时针盘星。
最后,在靠近中心区域,被前两种机制激活的高偏心率恒星进入内区后,极大地加速了 S 星团内部的引力相互作用,从而在极短时间内形成了我们今天观察到的、轨道混乱的 S 星团。
研究团队指出,目前最有可能的候选体是银心附近一个名为 IRS 13 的年轻致密星团。尽管该星团中心是否存在中等质量黑洞尚存争议,但这项研究为这一猜想提供了强有力的动力学支持,并且为未来研究可能涉及的世界杯下注提供了新的思路。
这项发现的意义重大,它不仅解释了一个局部的天文现象,更重要的是,中等质量黑洞(质量介于 100 倍至 10 万倍太阳质量之间)被认为是连接恒星级黑洞与超大质量黑洞的“缺失一环”,而此前仅发现过少数几个存在争议的候选体。
该研究还为未来观测提供了一个精确的预测:在 S 星团的轨道进动中,应当存在一个由中等质量黑洞引力引起的额外分量,这一分量将超出广义相对论效应本身的贡献。
随着中国空间站巡天望远镜(CSST)等高精度观测设备投入使用,这些预测有望得到直接验证,届时银河系中心这位隐藏的“幕后推手”的真实面貌或将最终揭晓。