銀河系中,為什麼一切物體都在繞著其中心的黑洞運行?

嚴格來說,我們的銀河系裡沒有什麼是圍繞中心的黑洞轉動的。一切物體圍繞著銀河系重量的中心進行軌道運動。特大質量的黑洞只是碰巧處在了中心位置。如果去掉中心的黑洞,銀河系裡幾乎所有物體的軌道都不會改變(除非是離黑洞特別近的少數恆星)。我們的銀河系質量很大,含有恆星、氣體、行星和暗物質。位於中央的黑洞僅僅佔整個星系總質量的約一百萬分之一。由於質量產生重力,重力引起軌道,所以銀河系裡所有物體的軌道是由銀河系的總質量引起的,而不是中心的黑洞質量。

銀河系中,為什麼一切物體都在繞著其中心的黑洞運行?

銀河系中的一切物體都圍繞著整個銀河系重量的中心運行,而不是碰巧在銀河系中央的特大質量黑洞。這張圖片藝術性地展示了我們的銀河系。

試想一下這樣一個類比。有三個女孩兒,她們形成了一個圓圈,三個人的手都鎖在圓圈的中央。女孩們快速並穩定地圍著這個圈奔跑以至於她們的手能夠感到拉力。即使她們能感到離心力在把她們朝外推,但是由於她們相連的手在把她們向內拉,沒人會飛出這個圈。

這三個女孩在某種意義上都在圍繞著她們加起來的質量的中心轉動,而不是恰好處在圓圈中心的其中一個女孩手指上的金戒指。如果那個女孩摘掉了戒指,她們的運動狀態不會有多少改變。這些女孩就像我們星系當中的物體,她們連在一起的手臂就像是把所有物體聯繫在一起的萬有引力,而金戒指就相當於黑洞。銀河系中的每樣物體都繞著銀河系總質量的中心轉動。質量的中心常稱為“質心”。

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一般來說,小的物體並不圍繞大的物體轉動。相反,大大小小的物體一起圍繞著它們加起來的質量的中心轉動。湯姆洛格斯登的《軌道力學》教材書中寫道:“牛頓還修改了開普勒第一定律,提出如果兩個物體都有相當可觀的質量,小一點的物體便不會圍繞大一點的物體中心運行,相反,它們都會圍繞他們共同的質心進行軌道運動。足球比賽裡可以觀察到類似的現象。當一個鼓樂隊女領隊把她的指揮棒投向空中,指揮棒並不繞其重的那一段旋轉,而是整根指揮棒繞其總質量的中心旋轉。”

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黑洞是一片有著超大重力加速度的時空區域,其重力加速度之大以致於沒有任何粒子,甚至是像光這樣的電磁波能從中逃逸。廣義相對論預測,質量壓縮到一定程度,便收縮了時空,形成了黑洞。這片區域的邊界,也就是沒有任何物體能夠逃逸的地方,就叫做事件視界。

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儘管事件視界對穿過它的物體的命運和境遇有著巨大的影響,但人們似乎觀察不到其局部可檢測的特徵。從很多方面來講,黑洞都表現為一個完美的黑色物體,因為它不反射任何光。此外,彎曲時空中的量子場理論預測事件視界會產生霍金輻射,其頻譜和溫度與其質量相反的黑色物體相同。對於恆星質量的黑洞,其溫度大約在十億分之開爾文,這使得它基本不可能被觀察到。

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在18世紀,約翰·米歇爾和皮埃爾·西蒙·拉普拉斯第一次思考了引力場太強,導致光也無法逃逸的物體。廣義相對論的第一個對黑洞的現代解決方案是由卡爾·施瓦茨柴爾德在1916年建立的,儘管其釋義是由大衛·芬克爾斯坦於1958年最先公佈,即黑洞是一片任何物體都無法從中逃逸的區域。

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黑洞一直被認為是一個數學上的奇觀,直到20世紀60年代,理論工作才表明它們是廣義相對論的一般預測結果。1967年,喬斯林·貝爾伯內爾發現了中子星,引發了人們對重力坍塌下的壓縮物體作為一個可能的天文現實的興趣。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. wtamu

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