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一项新的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* 的质量估计是太阳的 400 万倍。在其极近的约 0.04 秒差距(约 0.13 光年)范围内,存在着轨道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,大约五分之一的年轻恒星形成了一个轨道近乎共面、呈顺时针旋转的恒星盘。而在更外围,则散布着轨道倾角各异、同样呈扁长形态的“离盘星”。

让天文学家感到困惑的是,这三组恒星的年龄惊人地一致,均在 600 万至 1500 万年之间。根据传统的恒星动力学理论,恒星之间通过引力相互作用改变轨道形态需要数十亿年的时间。这些“同龄”恒星如何在如此短的时间内演化出截然不同的轨道特征,一直是一个未解的难题。

研究团队提出了一种新的解释:这三组恒星可能源于同一个原始气体盘。将它们塑造成如今不同轨道形态的,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。这个引力源极有可能是一个理论上预言存在但极为罕见的中等质量黑洞。

为检验这一假说,研究团队利用中山大学王龙教授开发的开源 N 体模拟软件 PeTar,并在清华大学高性能计算平台上进行了大规模的数值模拟。模拟结果表明,只有在中等质量引力源的持续作用下,三组恒星的轨道分布特征才能在短短数百万年内被同时重现。

研究进一步阐述了该“引力推手”如何通过一种类似三重奏的动力学机制,逐步塑造了我们今日所见的这三组恒星。首先,这个倾斜的引力源通过“古在效应”(von Zeipel-Lidov-Kozai effect),周期性地激发外围恒星的轨道偏心率和倾角,将其“甩”向更远处,形成了离盘星。

其次,在原始气体盘逐渐消散的过程中,“扫荡性久期共振”(SSR)机制使得共振位置由外向内移动,在保持倾角的同时增加了偏心率,从而形成了相对规整的顺时针盘星。

最后,在靠近中心的区域,被前两种机制“激活”的高偏心率恒星进入内区后,极大地加速了 S 星团内部的引力相互作用,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,这个神秘的中等质量引力源最可能的候选体是位于银心附近的一个名为 IRS 13 的年轻致密星团。尽管该星团中心是否存在中等质量黑洞仍存在争议,但这项研究为这一推测提供了有力的动力学支持。

这一发现的意义重大,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)提供了线索。中等质量黑洞被认为是恒星级黑洞演化为星系中心超大质量黑洞过程中的“缺失环节”,此前仅发现过少数几个有争议的候选体。

该研究还提出一个可供未来验证的精确预测: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,这将超越广义相对论效应本身。

随着中国空间站巡天望远镜(CSST)等高精度观测设备投入使用,这些预测有望得到直接验证。届时,银河系中心这位隐藏的“幕后推手”是否真的存在,其真实身份或许将最终揭晓。