2020年诺贝尔物理学奖遭到挑战:银河系中心的黑洞,可能并不存在!

银河系的中心存在着什么?对于这个问题,2020年诺贝尔物理学奖获得者罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)、安德烈娅·盖兹(Andrea Ghez)和莱因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)已经给出了明确的答案:在银河系的中心,存在着一个超大质量黑洞(www.baokou.net)。

银心黑洞是怎么被发现的?

罗杰·彭罗斯为银心黑洞存在的提供了理论基础,他于1965年发布了《引力坍塌和时空奇点》等一系列论文,以广义相对理论作为依据,详细论证了银河系的中心存在超大质量黑洞的可能性。然而只有理论肯定是不行的,想要得到科学界的认同,就必须拿出有令人信服的观测数据。

虽然我们不能直接观测到黑洞,但它产生的引力效应是可以被观测到的,因此只需要观测银河系中心的恒星是怎么运行的,就可以间接推测出黑洞是否存在。

从1995年起,安德烈娅·盖兹就开始致力于观测银河系中心的恒星,她率领的研究团队利用凯克望远镜对银河系中心的恒星进行长达20年的追踪观测,然后绘制出了它们多年来的运行轨迹。

上图来自于安德烈娅·盖兹的研究团队,图中的每个光球都代表一颗恒星,中心的五角星则代表银河系的中心位置,可以看到,这些恒星都在围绕着一个强大的引力源运动。在此之后,莱因哈德·根策尔的研究团队又利用更精密的观测仪器对这些恒星进行了测量,然后提供了高精度的观测数据。

通过对这些恒星的观测数据进行分析,研究人员就可以确定银河系中心的引力源的质量和体积,分析结果表明,这个引力源的体积很小(直径约为4400万公里),但质量却很大(约为太阳质量的430万倍)。

因为在人类已知的所有天体中,只有黑洞才符合这种标准,所以我们基本上可以判定,在银河系中心存在着一个超大质量黑洞,这也是近些年来科学界的共识。然而就在2021年5月21日,一篇发表在《皇家天文学会通讯月刊》的论文却对此提出了不同的看法。

2020年诺贝尔物理学奖遭到挑战,科学家怀疑银心黑洞并不存在

在银河系的中心区域,除了恒星以外,还运行着一些气体云团,早在2006年的时候,科学家就注意到一个编号为“G2”的气体云团在向银河系中心靠近,按照其运行轨道来看,它将在未来与银心黑洞非常接近,根据科学家的预测,届时的“G2”将被银心黑洞吞噬。

时间到了2014年,此时“G2”已经离银心黑洞很近了,并且随着时间的推移,它与银心黑洞的距离还在逐渐缩小,科学家满以为可以观测到一次宇宙中的“饕鬄盛宴”,但出人意料的是,这样的事情并没有发生,尽管“G2”几乎是与银心黑洞“擦肩而过”,但是它却毫发无损。

(注:图中红色的“十”,代表银河系中心)

观测数据表明,“G2”与银心黑洞距离最近时仅有大约260个天文单位,在这么近的位置上,它无论如何都不应该毫发无损地从银心黑洞的引力场中逃逸出来。但观测数据却清清楚楚地表明,这种不可能的事情却发生了,这应该如何解释呢?

一个大胆的假设就是:银河系中心的黑洞,可能并不存在。

而这也是前面提到的那篇论文的观点,该论文来自于意大利国际相对论天体物理学中心的一个研究团队,研究人员认为,“G2”的奇怪表现强烈暗示了位于银河系中心的引力源并不是黑洞。但问题是,如果它不是黑洞,那会是什么呢?该团队给出的答案是:暗物质团。

暗物质是一种我们无法直接探测到的物质,我们只能通过它们产生的引力效应来间接探测暗物质的存在。

研究人员认为,如果构成暗物质的基本粒子也是费米子,那么它们也会遵循“泡利不相容原理”,在这种情况下,大量的暗物质就可以形成一个边界模糊的高密度暗物质团,其产生的引力会比黑洞“温和一些”,从而允许像“G2”这样的气体云团在较近的距离内“毫发无损地通过”。

为了验证这种观点,研究人员在计算机上创建了银河系的模型,其中银心黑洞被大量的暗物质取代,运行结果显示,“暗物质模型”的银河系与实际观测到银河系的运行方式几乎完全相同,而在银河系的中心区域,这种模型与实际观测数据的匹配程度甚至比“银心黑洞模型”更好。

小结

虽然这项研究让2020年诺贝尔物理学奖遭到了挑战,但从目前的情况来看,这也只是一种比较合理的假设,并没有足够的证据可以否定银心黑洞的存在。不过该团队的负责人天体物理学家贝塞拉·韦加拉(Becerra Vergara)表示,未来他们将继续进行该项目的研究工作,期待能够找到有力的证据。

本文参考资料:

E A Becerra-Vergara et al, Hinting a dark matter nature of Sgr A* via the S-stars, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters (2021).

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