首頁 牛津通識課:黑洞、光、行星、引力

06 你怎樣給黑洞稱重 How Do You Weigh a Black Hole?

太陽以及圍繞它運行的行星、矮行星(其中冥王星是最著名的例子)、小行星和彗星共同組成了太陽係。太陽係本身在銀盤上繞著在銀心的質心轉動。我們的太陽係在銀盤中的圓軌道上繞轉的速度大約是7千米/秒,繞著銀心轉完一整圈需要幾億年。除了這種軌道運動之外,整個太陽係還垂直於銀道麵運動。它所表現出的這種運動是物理學家所熟知的簡諧運動,而把我們的太陽係拉回到位於銀道麵上的平衡位置的回複力,則來自構成銀盤的恒星和氣體的引力。目前我們在這個平衡點上方約45光年的地方。從現在起大約2100萬年後,太陽係將到達銀盤上方320光年處的極值點;在此之後再過4300萬年,太陽係將重新回到銀河係的中心平麵。當太陽係位於銀道麵的中心時,地球將最大限度地暴露在宇宙射線中。這些宇宙射線會在銀道麵上呼嘯著轉圈,它們被磁力線所俘獲,以介於完全雜亂無章和完全有序之間的某種方式運動—— 一邊沿著磁力線前進,一邊繞著磁力線旋轉。有人猜測可能是由於太陽穿過銀道麵的運動導致了恐龍滅絕。但是這種推測很難被證實或反駁,因為這種軌道運動的時標對於壽命通常不會超過一個世紀的人類觀測者來說顯然是難以觀察的。人們采用足夠精確和徹底的手段進行天文學觀測也隻有幾個世紀。因此,在觀測天文學中,當我們想要關注某種以比這還長得多的時標變化的過程時,這是一個很常見的問題。

然而,至少在相關的時標與人類及其望遠鏡所關注的時間尺度差不多的情況下,銀河係中的軌道運動非常容易測量。既然我們在討論黑洞,那麽最令人感興趣的顯然是銀河係最內部區域中恒星的軌道運動,這一區域位於天空中被稱為人馬座A*的那一部分。當我們觀察這個在南半球最容易看到的區域時,也是在看向距我們27 000光年遠的銀河係的正中心。這是一個天體特別稠密的空間區域,而當我們想研究銀心時,會導致兩個問題。首先是恒星的空間密度較高,其次是塵埃很多。