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銀河系的中心為何能驅使幾千億顆恆星圍繞其旋轉﹖
在茫茫的宇宙中﹐地球渺小得猶如一顆塵埃﹐即使是太陽﹐也是微不足道的存在﹐根據科學家的估算﹐我們所在的銀河系擁有2000至4000億顆恆星﹐而太陽只不過是其中的一員﹐它與眾多的恆星一起﹐一直在圍繞著銀河系中心旋轉。那麼﹐銀河系的中心到底是什麼﹖為何能驅使幾千億顆恆星圍繞其旋轉呢﹖
對於這個問題﹐有一種常見的觀點就是﹕「銀河系的中心有一個巨大的黑洞﹐它強大的引力約束著銀河系中的眾多恆星﹐進而驅使它們圍繞其旋轉。」然而簡單分析一下就會發現﹐這種觀點其實並不合理。事實上銀河系中心確實有一個超大質量黑洞﹐它也被稱為「人馬座A*」(Sagittarius A*)﹐其質量大約是太陽的430萬倍﹐而根據天文學家的估算﹐整個銀河系的質量至少是太陽的1萬億倍﹐也就是說﹐「人馬座A*」的質量大概只佔得到銀河系的百分之0.00043。
由此可見﹐相對於整個銀河系﹐「人馬座A*」的質量其實也是非常小﹐儘管銀河系的質量除了幾千億顆恆星之外﹐還包括了其他的物質﹐如氣體﹑塵埃﹑暗物質以及其他類型的天體等﹐但我們也可以清楚地看到﹐以「人馬座A*」的質量來看﹐它所產生的引力﹐根本就不足以束縛銀河系中的眾多恆星。
那麼﹐到底是什麼在驅使幾千億顆恆星圍繞著銀河系中心旋轉呢﹖要回答這個問題﹐我們可以從地球和月球開始講起。通常來講﹐我們會將地球和月球的運動狀態想像成﹕「地球穩居地月系統的中心位置﹐而月球則一直在圍繞著地球旋轉。」但實際情況卻並不是這樣﹐因為引力的作用是相互的﹐在地球向月球施加引力的同時月球同樣也會向地球施加引力﹐在這種情況下﹐地球和月球其實都是在圍繞著它們的共同質心旋轉﹐它們之間的引力則充當了「向心力」﹐而正是因為如此﹐地球和月球才不會在彼此引力的作用下撞在一起。
↑地月系統相對運動狀態的簡化模型
值得一提的是地球的質量比月球大得多﹐這就使得地月系統的共同質心落在了地球半徑之內﹐因此地球的運動就不明顯﹐但假如天體之間的質量相差不是特別大﹐那麼它們的共同質心就會落在天體半徑之外﹐所以它們就會圍繞著一個看不見的「點」在旋轉﹐比如說冥王星和它最大的衛星「卡戎」﹐就是這樣的情況。
↑冥王星和「卡戎」相對運動狀態的簡化模型
同樣的原理﹐太陽系中的所有天體﹐其實也都是在圍繞著太陽系的共同質心旋轉﹐太陽當然也包括在內﹐只不過由於太陽佔據了太陽系大約99.86%的質量﹐以至於太陽系的共同質心總是位於太陽所在的位置附近﹐所以通常情況下﹐我們都是進行了簡化處理﹐把太陽在太陽系中的相對位置視為不變。
↑單顆行星和太陽相對運動狀態的簡化模型
實際上﹐宇宙中所有的天體系統其實都遵循著這樣的規律﹐銀河系當然也不例外﹐我們可以將其簡單地理解為﹐銀河系的中心﹐其實就是銀河系的共同質心﹐而驅使幾千億顆恆星圍繞其旋轉﹐其實是銀河系所有天體和物質所產生的引力的共同作用。看到這裡﹐可能有人會問了﹕「既然如此﹐那銀河系中心為什麼剛好有一個超大質量黑洞﹐這是不是太巧了﹖」其實這並不是巧合﹐因為在已知的星系中﹐這樣的情況是普遍存在的﹐而科學家對此也給出了合理的解釋。
科學家推測﹐超大質量黑洞應該是由質量更小黑洞成長起來的﹐為方便描述﹐我們不妨將其稱為「種子黑洞」。從理論上來講﹐「種子黑洞」可能是宇宙中第一代大質量恆星消亡之後的產物﹐也可能是緻密且規模巨大的氣體雲團直接坍縮形成﹐在「種子黑洞」形成之後﹐它們就有機會開始成長其途徑主要有兩種﹐一種是持續吸積周圍的物質﹔另一種則是多個「種子黑洞」合併成質量更大的「種子黑洞」。
無論是哪種途徑﹐「種子黑洞」的成長都需要很長的時間﹐在這個過程中﹐由於長時間的動力學效應﹐那些質量足夠大﹑能夠成長為超大質量的「種子黑洞」就會逐漸遷移到星系的引力勢中心﹐而這裡其實就是星系的中心﹐由於星系中心的物質通常都非常密集﹐因此「種子黑洞」還可以進一步成長﹐並最終形成超大質量黑洞。
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