一项最新研究聚焦于围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* 的质量大约是太阳的 400 万倍。在距离其约 0.04 秒差距(约 0.13 光年)的极近范围内,存在着轨道高度扁长且倾角随机分布的 S 星团。稍远一些,在约 0.04 至 0.5 秒差距(约 1.6 光年)的区域内,约五分之一的年轻恒星形成了一个近乎共面的顺时针旋转的恒星盘。而在更外围,则散布着轨道倾角各异、同样扁长的“离盘星”。
令天文学家长期感到困惑的是,这三群恒星的年龄异常一致,均在 600 万至 1500 万年之间。根据传统的恒星动力学理论,恒星通过引力相互作用改变轨道形态所需的时间尺度可达数十亿年。这些“同龄”恒星如何在如此短暂的时间内演化出截然不同的轨道形态,一直是一个未解之谜。
研究团队提出了一种新的解释:这三群恒星可能源于同一原生气体盘。将它们塑造成如今形态的,是一个隐藏在银河系中心附近、质量约为太阳 1 万倍的引力源,该引力源极有可能是一个理论预言中极为罕见的中等质量黑洞。
为验证此猜想,团队利用中山大学王龙教授开发的开源 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数值模拟。模拟结果表明,只有在中等质量引力源的持续扰动下,才能在短短数百万年内重现这三组恒星的轨道分布特征。
研究进一步阐述了该“引力推手”如何通过类似三重奏的动力学机制,逐步塑造出今日所见的这三组恒星。首先,倾斜的引力源通过“古在效应”(von Zeipel-Lidov-Kozai effect),周期性地激发外围恒星轨道的偏心率与倾角,将其“甩”向更远处,形成了离盘星。
其次,随着原生气体盘的逐渐消散,“扫荡性久期共振”(SSR)机制使得共振区域由外向内扫描,在保持倾角的同时激发偏心率,形成了相对规整的顺时针恒星盘。
最后,在靠近中心的区域,被前两种机制影响而具有高偏心率的恒星进入内区,显著加速了 S 星团内部的引力相互作用,从而在极短时间内形成了我们今天观测到的、轨道混乱的 S 星团。
研究团队指出,目前最有可能的候选体是位于银河系中心附近的一个名为 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仍有争议,但此项研究为这一可能性提供了有力的动力学证据。
此项发现的意义重大,它不仅解释了一个局部现象,还为理解中等质量黑洞(质量介于太阳的 100 倍至 10 万倍之间)——被认为是恒星级黑洞成长为超大质量黑洞过程中的“缺失的一环”——提供了新视角。此前,天文学家仅发现过少数几个存在争议的中等质量黑洞候选体。
该研究还提出了一项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起的额外分量,这一分量将超出广义相对论效应本身的影响。
随着中国空间站巡天望远镜(CSST)等高精度观测设备的投入使用,这些预言有望得到直接验证,届时,银河系中心这位潜在的“幕后推手”的真实身份或将最终揭晓。