银河系的中心是“银心”,那么这个银心都由哪些物质构成?

明游谷


银河系的中心简称为“银心”,所以银心在概念上指的是位置,而并非具体的物质,现代天文观测认为,银河系中心是一颗超大质量黑洞,被称为人马座A*,在黑洞周围有大量的恒星围绕其运转。

银河系结构

“银心”既银河系的中心,它是银河系自转轴与银道面的交点,银心位于人马座方向,距离我们约两万六千多光年远。

从结构上来看,银河系属于棒旋星系,银心位于银核之内,银核是银河系中心的凸起部分,其直径约两万光年,厚度约一万光年,这个区域包含大量的恒星和高密度的星际物质,银核再往外是银盘,整个银河系质量的百分之八十以上都集中在银盘内,银盘之外就是银晕了,银晕中主要包含一些球状星团和星际物质。

银心物质构成

由天文观测可知,在银河系中心有一颗约400万倍太阳质量的黑洞人马座A*,黑洞是一种特殊的天体,由于黑洞事件视界的影响,我们无法观测到黑洞内部的物质情况,但科学推测黑洞的中心是一个密度无限大的奇点。在今年4月10日,“事件视界望远镜”项目公布了人类历史上首张黑洞照片,其实该项目原计划中包含了拍摄人马座A*黑洞的照片,但是由于某种原因,“事件视界望远镜”项目仅仅发布了M87黑洞照片。

在人马座A*周围有大量恒星围绕其运转,科学估计有上千颗,而且这些恒星多为上百亿年的红巨星。由于银心附近较高的物质密度,很难用光学手段去直接观测该区域,由于该区域有较强的射电辐射和红外辐射,所以在观测时科学家往往采取红外观测和射电观测,在2微米到73厘米波段,科学家观测到银心附近大量的氢元素,氢是星际物质的主要成分,并且是恒星诞生的温床。

美国科学家曾公布过由哈勃望远镜拍摄的银河系中心区域图片,经计算机处理后,该照片显示出银心区域存在大量的恒星,并且充斥着尘埃云,被电离后的氢气环绕在人马座A*方向。

结语

由上文可知,银河系中心区域主要物质为人马座A*黑洞、大量的恒星以及星际尘埃和被电离后的氢气。


漫步科学


要知道银心由什么物质构成,先得知道银心在哪里。历史上天文学家对银心的位置以及组成提出了各种猜测。

图四:会挽雕弓如满月,西北望,射天狼《江城子·密州出猎》 苏轼


假说一 银心由一个巨大的恒星占据,它hold住了整个银河系

比如,银心处存在一颗巨大的恒星,控制整个银河系。1755年,天文学家伊曼纽尔康德就是这么猜测的,在银河系的中心也存在一颗超级巨大的恒星,它控制着整个银河系中所有其它恒星和天体,并且他还猜测天狼星或许就是银河系的中心恒星,原因无它就是因为天狼星是天上最亮的恒星。

图示:天狼星


伊曼纽尔康德的这个说法,相当于是把太阳系的运转模式,外推到整个银河系中,所以许多天文学家接受了他的基本猜想,即银河系的中心————银心应该是一个超级巨大的恒星,它控制着整个银河系天体的运动。至于是不是天狼星嘛,这个问题有待商榷。


随着天文技术的发展,人们对银心的探索也越来越积极,当天文学家找到了测量遥远恒星距离的方法之后,天狼星作为银心的可能性自然被淘汰出局。因为,天狼星虽然是天上最亮的恒星,并不表示它的质量很大,虽然天狼星(A星)的质量比太阳大,但也仅仅是太阳质量的两倍多一点,显然这么一点质量在整个银河系中实在算不上有多大,根本不可能控制银河系的恒星围绕它转动。它之所以亮原因很简单,首先它的确亮,其亮度是太阳的23倍,其次它离太阳系足够近,仅仅8.6光年。总之,银河系中有的是比天狼星质量更大的恒星,因此天狼星不可能是真正的银心。


假说二 银心是由一个超大质量黑洞占据着的,是它控制着银河系的恒星围绕银心运动


当天文学家慢慢意识到,质量越大的恒星燃烧速度越快以后,银心是一个巨大无比的恒星的假说就退出了历史的舞台,无论曾经那里是否真的存在一个巨大的恒星,但它现在肯定已经熄灭,已经爆炸,不可能持续存在至今,因为太阳系的历史都有46亿年之久,银河系的历史就更久远了,而比太阳大60倍的恒星,其寿命只有大约三百万年!可60个太阳质量压根不足以控制银河系,至于质量更大的恒星,寿命只会更短,所以,无论如何银心不可能由一颗恒星构成。

此时一种神秘的天体开始出现在天文学之中,那就是神秘的黑洞,黑洞最初的名字是暗星,不发光的大质量神秘天体。黑洞与恒星的一个大差别是,黑洞的质量可以无限增长,并且超大质量黑洞的寿命近乎无限漫长。这两个特点都暗示着一件事,那就是银河系的中心很可能存在一个超大质量黑洞,正是它控制着银河系中恒星的运动。而且,不仅仅是银河系,很有可能所有星系的中心都藏着这样一个超大质量黑洞呢。但要怎么证明这件事呢?

图示:不识庐山真面,只缘身在此山中 —— 《题西林壁》苏轼


银心在哪里?这问题要是在银河系外非常远的地方进行观察就很简单,但我们呆在银河系中,要找到银心到底在天空的哪个方向,就不是那么容易了,而且地球还在自转。无论如何,地球距离银心实在过于遥远,因此当我们从地球向银心方向看过去的时候,宇宙虽然空旷,但银河系内部的星际尘埃,就像密密麻麻的过滤网,将来自银心的可见光,紫外线和低能量X射线全都给吸收了,这意味着我们没法通过这些波长的电磁波或光,得到任何来自银心的有用信息。但是,银心在向外发射着强烈的高能量X射线波。对银心的观察和研究,只能使用亚毫米波、红外线以及高能X射线和伽马射线,通过对这些波段的仔细观察和研究,天文学家对银心到底在哪里,首先取得共识。

图示:银心的秘密,射电波段下的银心,人马座A*


1954年,澳大利亚天文学家约瑟夫·拉德·波西(Joseph Lade Pawsey),在悉尼的多佛高地进行射电天文学测量,他的团队建造了一个24米的固定碟形天线,用它发现在射手座中存在极其强大的无线电发射带。并且他在射手座A的中心附近发现了一个强烈的无线电发射点源,约瑟夫很快意识到,他可能发现了银河系的中心,尽管它的位置与当时天文学界主流推测的位置相差甚远。1958年,国际天文学联合会(IAU)决定采用射手座A的位置作为银河经度和纬度系统的真正零坐标点,银心的位置到这时候才终于得到确认。


今天我们知道银心的主体是一个超大质量黑洞

图示:银心中心黑洞以及在它附近公转的恒星。


这个黑洞的质量大约为410万个太阳,的确这个质量非常夸张,但仅仅依靠这个中心黑洞的质量,还是无法完全控制银河系。实际上,紧密围绕这个超大质量黑洞,还有大约1000万颗古老的恒星,它们大多处于红巨星状态,银心中只有很少一些新生的恒星,它们大约诞生在一百万年前。黑洞和紧密围绕黑洞的这些恒星,就构成了银河系的银心,这里是银河系的关键引力区,正是银心的存在,整个银河系才没有分崩离析。


事实上,银心是银河系中最古老的一个部分,它本来是一个小星系,通过不断吞噬其它的小星系,形成了今天的银河系。而银河系的成长还没有停止,在未来银河系与仙女座星系将合并成一个星系,到那时,银河系将失去它美丽的旋臂,同时两个星系的中心黑洞也将发生合并。

图示:电脑模拟银河系与仙女座星系合并过程


从地球上看,仙女座星系和银河系合并的惊心动魄,合并完成后,地球上的夜空将比现在要明亮得多,不过地球到那时已经被太阳吞没,所以这张模拟图是给我们看的,不是给后代子孙们看的。



裸猿的故事


银心也是由大量的恒星组成的,由于这里恒星的密度非常大,因此看上去像是连成了一片,但如果分辨率足够的话,还是可以看出一颗颗的单个恒星的。

银心是银河系密度最大的区域,越靠中心密度越大。比如太阳附近的空间密度,大约每立方光年只有0.004颗恒星,而银心区域最密集的地方可以达到每立方光年上万颗恒星。

银心的组成主要是年龄在100亿年以上的老年恒星,而在银心的中心,也就是银河最核心的区域,目前观测显示这里存在一个质量在数百万太阳质量大小的黑洞,这个巨型黑洞是银河系最核心的天体。

在黑洞附近,大概有70颗左右的白矮星围绕着黑洞运动,更外一点的空间中大概有10万颗的白矮星,这就是银河系最核心的物质组成了。

而这10万颗白矮星外面,就是无数的老年恒星,这些恒星基本都属于第一代恒星,由于质量不是非常大,所以寿命很长,直到今天仍然存在。

目前,外面对银河系核心区域的了解基本就这么多了,未来新的观测技术可能会带来更多的信息,让我们更了解银河系核心的结构。