银河系中心的光到底是什么? | 目的地Destination

银河系中心的光到底是什么?

这个问题不能再好了。

我们先讨论下银河系的中心究竟是指什么

银河系中心

一方面银河系中心可以是指中心的那一个几何点,即银河系的自转轴与银道面的交点:银心。而按照1950年的历元坐标,银心位于赤经17h42m29s,赤纬 -28°59′18″的位置。

另一方面银河系中心也可以指银河系中心区域

那是一道光

讨论完银河系中心是什么,我们再来讨论下,光是什么

一般我们所理解的光都是可见光,但是实际上,可见光只是电磁辐射的一个波段罢了,严格来说,整个电磁波段都可以叫做“光”。而在这里,我认为光就是“”的意思,亮就是指比别的地方的电磁辐射强

“薛定谔的光”

接下来,在回答题主所问的“银河系中心的光是什么”的时候,我们先讨论点别的:银河系中心究竟有没有光

也许你会回答,

因为在你所看到的任何一张银河系的概念图中,银河系中心都是一抹亮光。

你也许会回答,没有

因为你知道,银河系中心是一个致密的射电源SgrA*(人马座A*),而我们相信这其实是一个质量约为 10^{6}_{/odot} 的超大质量的黑洞。常识告诉我们,黑洞是不发光的。

在我看来,这两种说法都是对的,我把它叫做“薛定谔的光”(参考薛定谔的猫)。

那么,为什么我说银河系的中心既发光又不发光呢?

这一切,就要从银河系的结构说起了。

银河系结构

银河系的主要成分为恒星、暗物质粒子、星际气体和星际尘埃。银河系内约有 10^{11} 颗恒星,它们的总质量约为 5/sim6/times10^{10}M_{/odot}

以图二为例,银河系中心区域叫做核球,偏平的盘面叫做银盘,而银河系的中央平面叫做银道面,球状星团分布的广大区域叫做银晕

恒星主要分布在银盘内,银盘由一个薄盘和一个较厚但是密度较低的厚盘组成,而核球是银盘中心一个隆起的结构。与传统意义的核球不同,从太阳位置侧面看去,银河系的核球呈方形盒状,而不是球状。根据上海天文台沈俊太老师2010年的研究,核球很有可能就是从侧面看到的银河系的中心棒(如图三所示)。

银河系核球

从图三我们可以看到,银河系核球发出了非常强的光。而这个光,我猜测应该就是题主想问的光。那这个光是怎么产生的呢?

前边我们提到,恒星主要分布在银盘内,而核球是银盘中的恒星盘中心突出的恒星聚集区。核球的直径约为 12000 光年(太阳距银河系中心 32616 光年),质量大约为 10^{10}M_{/odot} 。核球中的恒星大都是年龄超过 50 亿年的年老的恒星,比如天琴座RR型星、晚型矮星、红超巨星等。核球的中央部位被称作银核,那里有着密集的恒星群。

也就是说,这些光是由恒星产生的,事实上,核球部分的光度占整个银河系光度的 15/% 左右。

“薛定谔的光”第一定律

可惜,这些光我们无法用肉眼看到

因为,从地球上向银河系中心望去,我们的视线会被大量的气体和尘埃所遮挡,这些气体和尘埃对于来自银河系中心的可见光辐射和紫外辐射有着强烈的消光作用,光学消光达 30 星等。通俗点说,就是在一个来自于银河系中心的光子的成功到达我们的望远镜的过程中,有一万亿个光子失败了。

所以,对于偏居银河系一隅的我们,银河系中心在光学波段永远是漆黑一片,这也是我为什么在图三的注释中提到“近红外波段”的原因。

它会发光但我们在可见光波段看不到。

这是“薛定谔的光”第一定律。

银河系中心黑洞SgrA*

天文学家相信,有证据表明,绝大多数星系的中心都是一个超大质量的黑洞。银河系也不例外。

与银河系其他地方相比,银核是一个相当稠密的区域,典型的温度为 70K ,密度大于 10^{4}cm^{-3} ,质量约为 10^{8}M_{/odot} (前文提到了,核球总质量约为 10^{10}M_{/odot} )。

观测结果显示,银核中的恒星以很高的速度绕着银心转动。由此,天文学家推断,恒星转动的轨道中央存在着一个超大质量的天体,与此同时,射电波段传来喜讯,银心位置有一个致密的射电源SgrA*,它发出的射电辐射强度是太阳可见光强度的10度,但辐射区域仅仅不到 3/times10^{10}km 。随后,红外波段也带来捷报,有一个红外辐射源IRS16,其位置与SgrA*完全重合。因此,天文学家认为,SgrA*是一个质量约为 10^{6}M_{/odot} 的超大质量黑洞。而随后通过进一步研究,天文学家认为这个超大质量黑洞也是一个低光度星系核

图四是受前文提到的星际气体和星际尘埃的消光而在光学波段不可见的银河系中心的 90cm 射电图像。沿中央对角线分布的大批亮辐射源显示了从侧面看到的银河系盘状结构,可以很明显的看出来,SgrA*是最亮处。

“薛定谔的光”第二定律

看到这里,也许你要说了,看你这ID,你是民科吧,黑洞不是不发光吗

没错,黑洞是一个引力场强大到光也无法逃脱的时空区域,既然光无法逃脱,那么我们自然也看不到它。

但是,黑洞不发光,可是黑洞周围发光呀。

前文我们提到了,光就是电磁辐射。而黑洞是一点辐射都放不出来的(霍金辐射和我们聊的没关系)。但是,黑洞周围存在着吸积盘(详情可见黑洞吸积理论简介),而吸积盘里存在着强大辐射。而相关研究又表明,SgrA*周围有着强烈的喷流(详情可见Note:ADAF模型在银河系中心黑洞Sgr A*中的应用)。吸积盘和喷流共同产生了射电波段和X波段的辐射,同时产生了在可见光波段也是可见的(看不到是因为前文提到的消光作用)。

从图五我们很直观的可以看出,在任何波段,银河系中心都是很亮、很特别的。

银河系中心发出的是光但不只是可见光

这就是“薛定谔的光”第二定律。

“薛定谔的光”第三定律

而黑洞的史瓦西半径相对于吸积盘和喷流的尺寸来说,实在是太小了,可以说,黑洞被吸积盘和喷流产生的光直接盖住了(对应前文提到的SgrA*是一个低光度星系核)。

前文我们也提到了,银河系中心可以是银心,也可以是中心那一片区域,而我们一般认为SgrA*在银心,但中心区域是核球。

图六是活动星系核的统一模型,尽管我们的银河系不是活动星系,SgrA*也不是活动星系核,但可以借助这个模型让大家更好的理解。

银河系中心银心不发光但银河系中心中心区域发光

这就是“薛定谔的光”第三定律。

“薛定谔的光”第零定律

上帝说:“要有光”,于是便有了光。--《圣经:创世纪》

那上帝他老人家给的光是什么

这就是“薛定谔的光”第零定律。

参考文献:

[1]. 向守平. 天体物理概论[M]. 中国科学技术大学出版社, 2008.

[2]. 陆埮. 现代天体物理[M]. 北京大学出版社, 2014.

[3]. Yuan F, Narayan R. Hot Accretion Flows Around Black Holes[J]. Annual Review of Astronomy & Astrophysics, 2014.52:529-588.

[4]. 刘碧芳. 天体物理中的辐射机制. 中国科学院大学秋季研究生课程PPT, 2016.

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:不拿诺奖不改名

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