填补黑洞演化“缺失的一环”：我国科学家发现银河系中心或藏匿中等质量黑洞

IT之家 7 月 4 日消息，由北京天文馆副研究员郑晓晨博士领衔的一支国际研究团队，通过大规模数值模拟，首次构建了一个统一的动力学模型，为银河系中心可能潜伏着一个中等质量黑洞提供了迄今最强的动力学证据。相关成果已于 6 月 29 日发表在《天体物理学报》上。这项研究的核心对象，是环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。在其附近约 0.04 秒差距（约 0.13 光年）的超近距离内，是轨道极其扁长、倾角随机分布的 S 星团；稍远一些，在大约 0.04 至 0.5 秒差距（约 1.6 光年）的范围内，约五分之一的年轻恒星组成了一个轨道近乎共面、按顺时针方向旋转的恒星盘；而在更外围，则散落着轨道倾角各异、同样扁长的“离盘星”。让天文学家困惑已久的，是这三群恒星的年龄出奇地一致，均在 600 万至 1500 万年之间。按照传统的恒星动力学理论，恒星之间通过引力相互作用改变轨道形状的时间尺度长达数十亿年。这些“同龄”恒星如何能在如此短的时间内演化出截然不同的轨道形态，一直是未解之谜。研究团队提出了一个全新的解释：这三群恒星可能拥有共同的起源，都诞生于同一原生气体盘。将它们“拉扯”成如今模样的，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。这个引力源很可能是理论预言中极为罕见的中等质量黑洞。为了验证这一猜想，团队运用了中山大学王龙教授独立开发的开源 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的数值模拟。模拟结果显示，只有在这个中等质量引力源的持续扰动下，三组恒星的轨道分布特征才能在短短数百万年内被同时复现出来。研究进一步揭示了这个“引力推手”是如何通过三重奏般的动力学机制，一步步塑造出今日所见的三组恒星的。首先，这个倾斜的引力源通过“古在效应”（von Zeipel-Lidov-Kozai effect），像一根搅拌棒一样周期性地激发外围恒星的轨道偏心率与倾角，将它们“甩”向更远处，形成了离盘星。其次，在原生气体盘逐渐消散的过程中，“扫荡性久期共振”（SSR）机制使得共振位置由外向内扫描，在保持倾角的同时激发偏心率，造就了相对规整的顺时针盘星。最后，在靠近中心的区域，被前两种机制“点燃”的高偏心率恒星闯入内区后，大大加速了 S 星团内部的引力相互作用，从而在极短的时间内形成了我们今天看到的、轨道混乱的 S 星团。研究团队指出，这个神秘的中等质量引力源最有可能的候选体，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确实存在中等质量黑洞目前仍有争议，但这项研究为这一猜想提供了强有力的动力学支持。这一发现的意义远不止于解释一个局部现象。中等质量黑洞（质量在 100 倍至 10 万倍太阳质量之间）被认为是恒星级黑洞成长为星系中心的超大质量黑洞过程中“缺失的一环”，此前天文学家仅发现过少数几个存在争议的候选体。这项研究还提供了一个可供未来检验的精确预言：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发的额外分量，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）等高精度观测设备在未来陆续投入运行，这些预言有望得到直接验证。届时，银河系中心这位隐藏的“幕后推手”是否真的存在，其真面目或将最终揭晓。