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第40章 Sagittarius A

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- 明亮环带:阴影周围的亮环是光子捕获区(photon ring)——光线在黑洞的强引力场中沿弯曲路径传播,最终汇聚成一个明亮的环。环的亮度分布呈“不对称性”:一侧更亮,这是因为Sgr A*的自转导致吸积盘内的物质向观测者方向运动,多普勒效应增强了亮度。

- 环的大小与形状:亮环的直径约为阴影的2.5倍,符合克尔黑洞的“光子环半径”公式(r_photon ≈ 1.5 R_s)。这种精确匹配,是广义相对论在强引力场、高速自转场景下的又一次胜利。

3. 偏振图像的“新线索”:磁场的“隐形之手”

2023年,EHT发布了Sgr A的偏振图像——首次揭示了黑洞周围的磁场结构。图像显示,亮环的偏振方向呈“螺旋状”,说明磁场线被黑洞的自转“拖拽”成螺旋形。这种磁场结构正是布兰福德-茨纳耶克机制*(驱动喷流的核心机制)的关键:螺旋磁场将吸积盘内的物质加速到相对论速度,沿着黑洞的自转轴方向喷出。

八、自转的“力量”:0.9倍光速背后的宇宙力学

Sgr A的自转速度约为0.9倍光速*(通过吸积盘偏振和恒星轨道进动测量),这是它最“神秘”的属性之一。高速自转不仅塑造了它的时空结构,更驱动了喷流、影响了吸积盘的演化。

1. 克尔度规:旋转黑洞的“时空规则”

与不旋转的史瓦西黑洞不同,旋转的克尔黑洞遵循克尔度规(由新西兰数学家罗伊·克尔于1963年提出)。克尔度规的核心是能层(Ergosphere)——黑洞周围的一个区域,其中时空被自转“拖拽”,任何物质都无法静止,必须随黑洞一起旋转。能层的边界是静止 limit 面(static limit surface),其半径约为2.5倍史瓦西半径(R_static ≈ 2.5 R_s)。

2. 能层与喷流:能量的“提取工厂”

能层是Sgr A喷流的“能量来源”。根据彭罗斯过程(Penrose process),当物质落入能层时,一部分能量可以被提取出来:物质分裂为两部分,一部分落入黑洞,另一部分携带能量逃离能层。对于Sgr A这样的旋转黑洞,能层的物质会被自转加速到0.1-0.5倍光速,形成沿自转轴方向的喷流。

EHT的偏振观测显示,Sgr A的喷流来自能层的底部——磁场线在这里将等离子体约束成狭窄的 cone,沿着自转轴方向喷出,延伸至数千光年外。这种喷流不仅加热了银河系的星际介质,更抑制了恒星形成——相当于Sgr A用喷流“修剪”着银河系的“头发”。

3. 对吸积盘的“塑造”:自转驱动的“物质电梯”

Sgr A的吸积盘是一个薄盘(厚度约10倍史瓦西半径),高速自转的黑洞会让吸积盘内的物质产生径向流动:物质从盘的外侧向内侧运输,最终落入黑洞。这种“内流”速度约为100公里/秒*,由黑洞的自转和引力梯度驱动。

通过模拟,科学家发现:Sgr A的自转速度(0.9倍光速)让吸积盘的内流效率比不旋转的黑洞高30%*——这意味着它能更快地吞噬周围的气体,尽管当前的吸积率很低(10?? M☉/年)。

九、未来的“命运”:Sgr A*会吞噬银河系吗?

作为一个430万倍太阳质量的黑洞,Sgr A*的未来一直是公众关注的焦点:它会吞噬整个银河系吗?周围的恒星会沦为它的“盘中餐”吗?

1. 恒星的“轨道舞蹈”:S2的命运

S2是离Sgr A最近的恒星,轨道周期16年,近心点距离17光小时(约1.8×1013公里)。根据广义相对论,S2的轨道会因黑洞的自转产生进动*(每圈进动约12角秒)。2024年,Genzel团队发布了对S2长达30年的观测数据:其进动与理论预测完全一致,误差小于1%。

那么,S2会不会被Sgr A吞噬?答案是短期内不会——S2的近心点距离是史瓦西半径的1500倍,远大于“潮汐撕裂半径”(约100倍史瓦西半径)。但几百万年后*,随着轨道进动,S2的近心点可能会靠近黑洞,最终被潮汐力撕裂,形成吸积盘的“燃料补充”。

2. 吸积率的“开关”:未来会更亮吗?

Sgr A当前的吸积率很低,因此很“安静”。但未来,若有大量气体落入(比如银河系中心的气体云碰撞),吸积率可能突然增加,让Sgr A变得明亮——甚至达到类星体的亮度(10??瓦)。

2019年,钱德拉X射线望远镜观测到Sgr A的X射线耀发,亮度增强100倍,持续几分钟。模型显示,这是吸积盘内的大质量气体团块(约0.1 M☉)落入黑洞时,摩擦加热到10? K所致。这种耀发是Sgr A“活跃”的信号,但不会持续很久——气体团块很快会被吞噬,吸积率回到低水平。

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