[비즈한국] 宇宙的一半是單身，但另一半卻有伴侶。身邊有伴侶的恆星被稱為雙星。由兩顆恆星組成的“情侶”在宇宙中非常容易見到。然而，有一種地方卻很難見到這種常見的雙星，那就是銀河系中心超大質量黑洞的周圍。
長期以來，天文學家一直認為黑洞巨大的引力會阻礙周圍新恆星的誕生。他們認為，這些地方要麼因為黑洞的捕食而導致恆星被吞噬，要麼是因為最初在黑洞周圍氣體雲無法穩定地匯聚，環境過於極端，根本無法誕生新恆星。
然而，最近天文學家在堅持不懈的觀測後，史上首次確認了銀河系中心人馬座 A* 黑洞周圍存在著一顆雙星。這不僅包含著“銀河系中心黑洞的殘酷環境也無法阻擋恆星情侶之愛”的浪漫，還蘊含著更令人驚歎的可能性。
首先，要理解銀河系中心人馬座 A* 周圍的環境有多麼惡劣，有必要先看看在那裡發現的世界。銀河系中心居住著一個質量是太陽400萬倍的巨大黑洞。天文學家很早就發現，在距離銀河系中心僅幾光年的狹小空間內，恆星正以極快的速度繞行。恆星看起來像是被某種質量極大的天體所捕獲，但恆星軌道的中心卻看不到任何明亮的光源。恆星彷彿被什麼都沒有的黑暗虛空所束縛。在如此狹小的空間內，要聚集如此巨大的質量，唯一的可能性就是超大質量黑洞。正因如此，天文學家安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）和賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）與透過數學證明黑洞奇點的物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）一起獲得了諾貝爾物理學獎。
此後，人馬座 A* 成了天文學家們青睞的熱門觀測目標，研究也大幅增加。由此，人們開始發現大量像星團一樣在黑洞周圍高速旋轉的恆星群，被稱為“S 星團”。此外，其中還有一些非常獨特的天體，被稱為“G 天體”。第一個 G 天體於 2005 年被發現。它們既不是星團，其行為也像一顆質量巨大的單星。
然而，它們作為單純的恆星來說體積太大了。此外，在繞人馬座 A* 黑洞進行橢圓軌道運動時，它們的體積會大幅波動。遠離黑洞時尺寸變小，密度大幅升高；而靠近黑洞時，尺寸會顯著膨脹，密度大幅下降。因此，一些天文學家推測，這些可能不是單純的巨大單星，而是膨脹的氣體雲。隨著靠近黑洞，重力和潮汐力增大，導致氣體雲可能被拉扯得更開。
這種既像恆星又被膨脹氣體雲包裹的獨特特徵，讓人們對其起源有了更具戲劇性的想象。例如，原本的 G 天體可能是一對雙星。但由於持續受到身旁黑洞強大引力的擾動，雙星軌道變得混亂，最終兩顆恆星發生了劇烈碰撞。兩星碰撞後氣體雲向四周擴散，形成了今天我們觀測到的 G 天體模樣。
目前共發現了六個 G 天體。這是一個有趣的假說，但不少天文學家並不完全認同。因為他們認為，在黑洞這個“引力流氓”的存在下，能夠穩定繞行對方的雙星本身就不可能產生。
然而，終於第一次確認了雙星的存在。這次發現實際上非常幸運。首先，細緻觀測在銀河系中心、人馬座 A* 黑洞周圍遊蕩的恆星是一項極其困難的挑戰。由於恆星和塵埃雲密度極高，遮擋了視線，單純透過可見光觀測很難看到。因此，天文學家利用了能夠穿透塵埃雲的紅外波段進行觀測。
本次分析利用了智利 VLT 在 2005 年至 2019 年間觀測的檔案資料。15 年對於研究來說是非常充足的時間，因為繞黑洞飛行的恆星軌道小而快，繞行一圈的週期並不長。此外，更細緻的分析還利用了 2019 年以後夏威夷凱克（Keck）望遠鏡的資料，特別搜尋了長期積累的檔案。
天文學家在一直被認為是膨脹氣體雲的小斑點 D9 中，確認了清晰的多普勒效應跡象。波長交替出現縮短的“藍移”和變長的“紅移”。這意味著兩顆恆星交替向地球靠近和遠離。這裡並不是一顆恆星，而是兩顆。這兩顆恆星被彼此的引力束縛，在黑洞身旁跳著驚險的華爾茲。
透過軌道可以確定兩顆恆星的質量。天文學家推測，其中較重的恆星質量為太陽的 2.8 倍，較輕的恆星質量約為太陽的 73%。這兩顆恆星以約 372 天（略長於地球的 1 年）的週期相互繞轉，在黑洞旁流浪。
目前，這對雙星是極端版本“三體問題”的發生現場。太陽質量 2.8 倍和 0.73 倍的兩顆恆星，身旁還有一個質量相當於 400 萬個太陽的超大質量黑洞。這三個天體相互施加引力，導致軌道變化變得複雜。特別是三體問題引發雙星軌道紊亂的機制，被稱為“古在機制”（Kozai mechanism）或“馮·塞佩爾-裡多夫-古在機制”。透過模擬，最終這對雙星因無法承受黑洞的折磨，預計將在 100 萬年後發生碰撞。
更令人感興趣的是，這對雙星的年齡僅有 270 萬年。也就是說，這對雙星從誕生到發生碰撞，總共只有 370 萬年的生命週期。而在其中，已經過去了四分之三即 270 萬年。在僅剩下 100 萬年壽命的時候，它幸運地出現在我們面前。從天文學角度看，這簡直是轉瞬即逝的捕捉，是極具戲劇性的幸運。如果人類早一點誕生並觀測宇宙，或者望遠鏡建立得再遲一點，我們可能就會錯過這一現場。
本次發現表明，在銀河系中心黑洞周圍也可以誕生恆星，甚至還存在必須維持穩定軌道才能生存的雙星。當然，與普通空間相比，它們的軌道紊亂時間要短得多，但即便如此，也證明了雙星至少可以堅持一段時間。這為一直以來是未解之謎的人馬座 A* 黑洞周圍 G 天體的起源提供了重要線索。這為許多天文學家之前不敢相信的“雙星碰撞後僅留下擴散氣體雲”的假說增添了力證。
銀河系中心黑洞也是一個同時發生著大量三體、N 體問題的“頭痛”現場。在這種現場發生的“古在機制”也為“銀河系中心是如何形成質量達數百萬倍太陽的巨大黑洞”這一問題提供了重要線索。
雖然尚不確定，但銀河系中心的超大質量黑洞顯然也曾有過比較輕盈的時期。如果黑洞周圍也能產生不少恆星，那麼這些恆星最終也會迎來終局，留下小的黑洞。這些留下的黑洞中，一部分可能透過古在機制等複雜的動力學過程，成為銀河系中心黑洞的新食物。透過這種方式，銀河系中心的黑洞一點點壯大，達到了如今的水平。隨著銀河系中心存在雙星且正在發生複雜三體機制的確認，我們對於銀河系中心黑洞如何“狩獵”的影象也能刻畫得更清晰了。
另一方面，在黑洞身旁跳著驚險華爾茲的恆星，也為銀河系空間中以極高速度飛馳的“暴走族”恆星——即“超高速星”（HVS）的起源提供了線索。如果雙星沒有碰撞，而是其中一顆被黑洞吞噬，另一顆倖存，那麼剩下的那顆恆星命運就會發生轉變，以極高的速度被彈射出去。這就像抓著繩子的一端轉動石頭，突然鬆手的情況。其中甚至有以時速 600 萬公里的驚人速度飛行的恆星。
黑洞，特別是生活在銀河系中心的超大質量黑洞，是一個非常有趣的實驗室。因為它施加著最極端的引力，使我們能夠在相對較短的時間內確認軌道演化的動力學過程。此外，因為它極端扭曲時空，也是驗證愛因斯坦廣義相對論的絕佳場所。在其他平靜的宇宙中，其影響太過微小難以察覺，但在黑洞周圍，相對論發揮作用的證據顯而易見。不僅如此，黑洞還是將所有質量聚集在極其狹小區域的舞臺。因此，正如斯蒂芬·霍金所思考的那樣，黑洞不僅是宏觀的，也是微觀的。黑洞是牛頓與愛因斯坦的宏觀物理學與微觀世界量子力學實現“和解”的舞臺。
這一次，黑洞再次證明了它作為物理學最後堡壘和最前線的非凡價值。
參考
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54748-3
作者池雄培（Ji Woong-bae）是誰？他熱愛貓和宇宙。小時候看了《銀河鐵道999》後，立志要讓人們瞭解宇宙之美。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙論研究室，研究透過星系相互作用進行的演化，同時參與講座和寫作等多種科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天思考宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科學）等書。